阜阳市测绘院有限责任公司
摘要：无人机倾斜摄影测量技术运用到城市大比例地籍测量项目需要高精度三维模型，但是在城市中高层房屋较多，相对高差较大，采集满足要求的三维影像数据非常困难，处理出的三维模型精度也很难满足地籍测量的要求。我们如何解决这样的困难，本文通过实际项目经验，将无人机倾斜摄影测量技术成功运用到了城市大比例尺地籍测量项目中，实地验证并分析了无人机倾斜摄影测量在城市大比例尺地籍测量项目中的精度，为大规模的项目运用提供依据与经验。
关键词：无人机倾斜摄影测量技术 三维模型测图 城市地籍测量
0 引言
无人机倾斜摄影测量技术是近年来测绘行业发展的一门新的测量技术。该技术数据采集利用成本较低的无人机飞行平台搭载五镜头相机从垂直、前视、后视、左视、右视五个角度获取完整且精确的地面信息，结合了传统的航空摄影测量技术、近景摄影测量技术以及计算机图像识别技术，解决了传统无人机航空摄影测量技术只能获取正射影像成果，而不能获取完整的地形地物地貌等信息，将用户引入到真实直观的世界[1]。该技术已经成功运用在农村地籍测量、农房一体测量、大比例尺地形图测量项目中，在测绘行业已经普遍推广使用，效果很好。
一般用来做农村地籍测量项目的倾斜镜头焦距多为正摄25mm，斜射35mm。精度要达到1：500地籍测图的要求，照片分辨率必须要在2公分以内。为了达到此目标，需要无人机的飞行高度一般在70-100M之间。但按照这个飞行高度根本没有办法完成100米高度楼房的倾斜摄影。就算勉强飞行，也无法保证楼顶的重叠度，导致模型质量非常差，而且飞行高度太低会给无人机带来极大的危险。随着倾斜相机和无人机技术的发展，姿态更加稳定的无人机平台和长焦距全画幅倾斜相机的出现，为城市高楼倾斜摄影实景三维建模提供新的技术选择，并且可以依据满足精度要求的三维模型进行城市大比例尺地籍测量工作。
本文采用大疆M600PRO六旋翼无人机搭载成都睿铂DG4PROS五镜头相机进行测区影像数据采集，使用 ContextCapture 软件构建实景三维模型，依据模型使用清华山维的EPS三维测图系统进行1：500地籍图采集，对采集完成的地籍图进行精度分析，验证此种方法的可行性。
1传统城市大比例尺地籍测量的方法
城市大比例尺地籍测量主要测设各种房屋特征点和辅助地物，传统测量方法主要使用解析法和图解法。解析法主要是传统地籍测量的办法，通过全站仪采集和内业作图完成。图解法是通过航空摄影测量的方法获取测区影像，经过空三处理后得到立体像对，利用立体像对进行立体采编。
1.1解析法
解析法是最传统的作业方法。测量者在特征点采集前需要根据规范要求进行分级控制测量，获取控制点和图根点坐标。在地物特征点采集时，需要至少两名经验丰富的外业测量人员，使用全站仪配合小棱镜或者利用GPS进行数据采集，数据采集完成后利用绘图软件进行地籍图绘制。该方法成图精度比较高，对作业小组人员素质要求比较高，但是效率比较低，不适应时代发展需求。
1.2图解法
图解法主要利用航空摄影测量技术，首先需要对测区进行正射影像图航飞采集工作，第二步是测区像片控制测量，第三步为空三加密，第四步为立体采编。本方法的优点是效率高，节约人力，外业工作量少。本方法的缺点是高层和超高层建筑物的采集精度低，部分地物点精度会超限，后期需要进行调绘与补测。
从以上两种方法的技术方法与路线不难看出，解析法对实施单位要求更高，解析法要求实地用 GPS、全站仪数学化测图，需要投入大量的测绘专业技术人员。图解法则需要投入一批经验丰富的内业立体采编人员，对人员素质要求较高。为了提高效率，本单位在A地区尝试使用无人机低空倾斜摄影测量方法进行大比例尺地籍测量工作，以期降低外业的人员投入，提高工作效率，突破传统城市地籍测量技术瓶颈。
2无人机倾斜摄影测量
倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。大比例尺地籍测量可以利用成果三维模型进行房角特征点裸眼立体采集，最终获得满足规范要求的地籍图件。
2.1无人机倾斜摄影测量的特点
（1）反映地物真实情况并且能对地物进行量测
无人机倾斜摄影测量所获得三维数据可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，增强了三维数据所带来的真实感，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点。增强了倾斜摄影技术的应用。
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图1 技术流程图
（2）高性价比
倾斜摄影测量数据是带有空间位置信息的可量测的影像数据，能同时输出DSM，DOM，DLG等数据成果。可在满足传统航空摄影测量的同时获得更多的数据。同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市三维建模成本。
（3）高效率
倾斜摄影测量技术借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模。实验数据证明：1-2年的中小城市人工建模工作，借助倾斜摄影测量技术只需3-5个月就可完成。
2.2无人机三维裸眼测图技术流程
采用倾斜摄影技术进行三维裸眼测图工作主要包括影像数据采集、影像数据预处理、空中三角测量、多视影像密集点匹配、数字表面模型生成、纹理映射、实景三维建模、三维测图及外业调绘与补测等步骤[2]。实景三维模型构建的关键步骤在于通过空中三角测量解算出像片的外方位元素，并在此基础上通过影像密集点匹配获取点云构建三角格网，通过纹理映射进行纹理贴合生成三维模型，最后依据模型进行裸眼三维测图工作，详细流程见图1。
结果表明，采集的大比例尺城市地籍图的点位精度满足标准规范要求，为无人机倾斜摄影技术应用于城市大比例尺地籍测图工作带来新的契机。
3工程实例分析
以某市1：500城市地籍测量项目为例，项目区面积约为10平方公里，测区位于城市中心区域，最高楼层约120米。根据1：500地籍图测量规范要求，房角点最大中误差为5cm，如果采用倾斜摄影测量的方法则需要优于1.5cm分辨率的倾斜模型。
3.1无人机倾斜摄影技术硬件
（1）倾斜摄影测量平台
目前用于测绘行业的无人机种类较多，主要有固定翼无人机，多旋翼无人机以及垂直起降固定翼无人机，可根据不同类型无人机的特点，制定不同的飞行方案。多旋翼无人机能够垂直起降，对起降场地要求低，姿态稳定，且可以进行低空飞行，故适用于城市范围倾斜影像数据的采集。本项目采用采用大疆M600PRO六旋翼无人机。
（2）倾斜摄影测量相机
无人机倾斜摄影测量系统主要由镜头、控制系统、记录系统、存储系统等。相机的性能好坏主要根据镜头的光学特性、重量、数据存储与拷贝、同步反馈功能、数据预处理时间等参数来区分和判别。由于本项目楼层较高，最低点与最高点高差很大，为了满足地籍测量的精度，模型的精度必须保持在1.5cm以内。在焦距一定的情况下，如果想达到这样的分辨率，无人机飞行高度必须足够低。但是，飞行高度满足要求的情况下楼顶的飞行重叠度就不能满足规范要求，最重要的一点是飞行安全很难保证。基于以上情况，需要选择一个能同时满足分辨率、重叠度、安全条件的倾斜相机。本次项目我们使用目前市场上性能最好，焦距较长的成都睿铂DG4PROS五镜头相机。
3.2测区影像数据采集
3.2.1测区像控点布设
在使用无人机航拍之前，根据航摄飞行路线，在测区内布设像控点并采集像控点坐标，像控点的布设采用区域网布点。测区内高层建筑较多，像控点布设困难，像控点布点方式一般采用 “十”字形或者“L”形。在城市里不容易做标记的控制点可以选择一些明显的斑马线拐角点等，像控点之间距离平均为150米，如果无人机配套有后处理差分GPS系统，像控点密度适当降低，只在边缘区域和中间位置布设较少控制点。控制点测量采用GNSS RTK测量方法获取像控点坐标信息，信号固定解连测３次，互差≤２ｃｍ，取３次测量的平均值作为最终像控成果。
3.2.2测区航线设计及影像采集
本文实验采用大疆无人机地面控制软件进行飞行航线设计与影像采集。在飞行前进行无人机飞控系统检查，计算并设定采集影像分辨率、飞行高度、飞行速度、相机倾角、重叠度等。本项目根据地面分辨率为1.5cm计算出相对高度为150ｍ，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70％，飞行速度为8m/s，地面分辨率1.5cm，航线间距为36m，曝光间距为16m，定时曝光时间为1.99s。在飞行时，尽量选择在中午时间段，这样既能保证光强度充足，也能够减少阴影存在，提高模型质量效果。
本项目共飞行63个架次，飞行照片共计195250张，外业采集时间为16天。
3.2实景三维模型构建
本项目三维建模共设置了14个节点并行网络处理，按照处理流程分为数据预处理、空三测量、影像密集匹配、纹理映射几个步骤。由于数据量太大，按照分块处理原则进行建模，共分为20个块分批进行处理，共耗时260小时。
3.2.1数据预处理
在获取测区影像数据后，需要对采集的影像数据与POS数据进行对比检查，通过相机配套的软件下载POS数据，然后根据POS数据利用相机自带的SkyScanner软件进行影像下载，影像在下载的同时也完成了数据预处理，最终生成对应的影像数据、POS数据、区块文件、相机参数文件等。通过数据预处理，可以自动计算每个相机的姿态信息，不仅能提高空三成功率，还能提高空三与刺点效率。
3.2.2空中三角三测量
空中三角测量是根据少量野外控制点，在影像上进行控制点加密，通过一系列数学运算求得加密点的平面位置和高程，为缺少野外控制点的地区进行测图提供绝对定向的控制点。本项目使用ContextCapture建模软件，只需要人工刺少量的控制点，软件会自动进行空中三角测量。ContextCapture自动建模系统空中三角测量的平差方法采用光束法区域网平差法，其原理是以一张像片的一束光线作为平差单元，以共线方程作为平差的数学模型，通过平差计算，解算出每张像片的外方位元素，然后前方交会求出加密点地面坐标。
在实际处理过程中经常会遇见空三分层的情况，如果出现此种情况，可以使用睿博相机自带的空三处理软件SkyAAC进行处理，处理后的成果再次导入ContextCapture建模软件进行空三处理。通过此方法也大大提高了空三处理效率。
3.2.3影像密集点匹配
软件中采用高精度影像密集匹配技术，对采集的所有影像数据中同名点进行自动匹配。为了获取精确地形地物信息，以完善模型细节，需要提取海量的特征点构建密集点云，再经过滤波处理，以获取高精度三维点云。
3.2.4纹理映射
纹理映射是在白模型构建完成之后，对白模型进行表面纹理赋予。本质上纹理映射是建立二维空间点到三维物理表面之间的一一对应关系，在三维物体表面映射二维空间点对应的颜色，得到符合真实色彩视觉的三维模型，见图2。由于数据量比较大，本次模型质量输出选择70%效果，最终输出格式OSGB格式，质量和格式上基本满足后期的三维采集要求。
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图2 高楼实景三维模型
3.3三维模型裸眼测图
本项目采用清华山维EPS三维测图软件和南方CASS_3D三维采集软件进行地籍图采集。EPS和CASS_3D三维测图系统能够利用实景三维模型裸眼进行数字地籍图采集，操作简单快 捷且成果精度高。使用EPS平台将OSGB格式的三维模型转换成DSM格式加载至EPS三维测图系统中，使用CASS_3D三维采集软件可以通过打开XML文件或s3c文件直接打开三维模型。
打开模型后则由人工方式在三维模型上进行点、线、面采集，并按照规范要求进行图层设定和赋予属性信息。内业三维采集工作完成后，还需要对内业不确定属性信息的地物与楼层遮挡部分进行外业调绘与补测工作，最终整饰成规范要求的样式。如图3所示。
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4精度分析
本次精度分析的范围为部分高层集中的区域，共测设40个房角点作为检核点。精度比对的具体做法为：在真三维模型中利用EPS测图系统量测出检查点的平面坐标值，然后采用 AHCORS-GPSRTK 和全站仪结合的测量方法测量出外业检查点的坐标，把外业测定的检查点坐标当作真值，然后计算两者的差值以及计算差值的中误差。通过计算的中误差评定模型的平面精度，依据检查点的平面中误差对三维模型的精度进行分析和判定。误差统计表见表1。
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表1 误差统计表
检测点平面精度统计结果如上表所示：其中X方向最大误差为 0.0635m，Y方向最大误差为 0.0734m，平面坐标误差最大为20号点，误差为0.0782m，平面最小误差为 0.0176m。按照高精度检测公式计算中误差，则X中误差为0.0321m，Y方向中误差为0.0329m，平面中误差为0.0474m，完全满足城市地籍界址点精度0.05米的中误差要求。
5结论
本文基于现代无人机倾斜摄影测量技术，利用无人机搭载长焦距专业倾斜相机采集城市区域高楼层区域影像数据，短时间内生产高质量、高精度的三维模型，并以此为基础可以快速获取1：500城市地籍图成果。经过项目验证，该技术方法与技术路线可行，成果精度完全满足地籍图规范要求，无人机倾斜摄影测量技术可以运用在城市高楼区域地籍测量项目。
参考文献：
[1]李德仁，肖雄武，郭丙轩，等．倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用[j].武汉大学学报（信息科学版），2016，41（6）；711-721．
[2]余忠迪，李辉，巴芳，等．基于消费者级无人机的城市三维建模[j]．国土资源遥感，2018，30（2）：67-72．