無人機傾斜攝影測量技術在規劃核實測量中的應用

文／于立濤 中冶地理信息（廣東）股份有限公司 廣東東莞 523000

引言：

基于規劃核實工作，有關監督機構能夠核查工程項目的施工計劃、規范條例、技術標準、環境影響評測結果等有關文件，從而保證工程的建設安全、質量過關，并取得理想的經濟與社會效益。使用無人機傾斜攝影測量技術，已然成為獲得高精準度地理數據的首要方法。所以，需要在掌握技術有關內容的基礎上，探究此項技術的實際應用，充分掌握其應用要點，為規劃核實測量工作的高效率、高質量實施打下可靠基礎。

1.無人機傾斜攝影測量技術概述

1.1 硬件系統

較常使用的比如經緯M300RTK 無人機是一款功能強大的無人機設備，具備許多出色的特點，使其成為各種應用領域的首選。首先，該無人機具備出色的圖像傳輸能力，能夠在高達15 千米的距離內傳輸圖像，這對于需要遠距離觀察和監測的任務非常有用[1]。不論是在航拍、災害監測還是安全巡邏等領域，M300RTK 無人機都能提供清晰、穩定的圖像傳輸。其次，其配備了六向定位與避障功能，能夠精確地確定自身的位置，并且能夠在飛行過程中避免障礙物，因此能夠為用戶提供更多的操作靈活性。此外，該無人機還擁有高強度的IP45 防護等級，能夠在惡劣的環境條件下正常運行[2]。其主要包含下述幾項功能：（1）定位與跟蹤?？梢钥焖贉蚀_找出靜止物體，并通過AR 技術將其影像顯示在各類圖像資源中。這使得用戶可以輕松實現對物體的定位并動態追蹤，同時可以和其他用戶共享位置信息。（2）操控設備。借助AI 算法來處理收集的地理信息，這些信息經過整理與分類后，轉化為具有更高應用價值與精細度的測量結果。通過利用雙重操縱系統使得操作者只用輕輕點擊，便可以方便地控制飛機與相機，讓任務規劃布置以及團隊成員間的協作更為方便。（3）態勢感應。此無人機目前推出的最新的駕駛輔助系統，這一系統能夠全面記錄各類駕駛參數和環境信息，進而顯著提升操作效率。除此之外，該系統還配備了AirSense 功能，使得在高速行駛時操縱更為輕松，并能夠實現最長達40 米的避障距離，以保障操控人員的安全性。PilotApp 具備多種定位與監控模式，如傳感器、動力系統以及圖像等多重雙向備份。（4）健康防控。健康管理系統可迅速獲取部件健康狀況并采集異常信息。并且，還配備了BS60 電池箱，便于迅速充電、儲運，進而提高飛行效率。而TB60 電池則具備較大的容量，可提供雙電池熱替換功能，節省操作時間。

1.2 軟件系統

大疆智圖DJITerra 作為一款全方位的工具，它融合了無人機傾斜拍照與三維建模功能，為土地測量帶來了極大的便利和精確性。DJITerra 具備智能的自主調節拍照參數的能力，可基于實際環境情況靈活地調整拍照的高度、速度以及方向，進而提供準確的拍照位置。這種自適應性使得測量過程更加精準，可以縮小圖片與實際地貌之間的誤差[3]。（1）為保證測量的準確性，使用DJITerra進行土地測量需要事先定義測量范圍內每個角落的三維坐標。通過精準地標定測量范圍的各個角點，可以減小測量誤差，提高測量結果的可靠性。此外，DJITerra 還能夠用于核驗路徑的坐標誤差，并以此決定最合適的測量值，進一步提升測量的精度和可信度。（2）DJITerra 提供了多種測量方法，包括KML 文件輸出和飛行測量。通過將數據輸出到KML 文件中，用戶可以方便地進行后續的數據分析和處理。而飛行測量則利用無人機飛行的方式進行測量，不僅可以覆蓋更廣的區域，還可以獲取更多的實時數據，提供更全面的測量結果。（3）結合傾斜攝影技術，DJITerra 允許用戶事先準備目標地區并設置相關的參考值，例如飛行的時間長度、圖片的分辨率以及測量的范圍，從而設定最優的航路規劃，確保測量過程高效而準確。（4）DJITerra 還提供了調整傾斜云臺角度和其它有關參數的功能，使得用戶可以獲得更具可視化效果的測量結果，使目標物體和其所在的測量范圍更清晰地呈現出來。

2.無人機傾斜攝影測量技術在規劃竣工核實測繪過程中的應用

2.1 攝影測量

2.1.1 測區分析

（1）仔細分析測區的空域條件，包括是否在禁飛區內、是否存在飛行障礙物等。必要時，還需申請相關部門的許可證和審批手續，確保飛行過程的合法性和安全性。（2）了解測區的地形地貌，包括有否存在部隊駐地、通信設施等。此外，還需要檢查測區周邊的電磁環境，以避免因信號干擾導致的無人機失控或數據錯誤等情況。（3）根據測區地形高差狀況和任務要求，確定不同的航高，注意無人機的可飛行高度和飛行速度。（4）對測區范圍的建筑物、電力設施等進行檢查，確保不存在超出無人機航高限制的障礙物。如有必要，還需采取相應的措施，如設置警示標識、排除障礙物等。

2.1.2 航線設計

（1）在設計無人機的技術方案時，需要考慮地形高差和航線距離的限制。地形高差需要控制在無人機相對航高的1/4 范圍內，以確保飛行過程中不會發生意外碰撞或遭遇危險地形。同時，設計航線的總航程不得超過無人機的最大航程，以確保飛行任務的順利完成。（2）在建筑體低矮且稀疏的地帶，可以采用常規方法進行航線敷設，即按照直線路徑進行飛行。然而，在碰到較高建筑體或房屋分布較為密集的地帶時，就需要采取一些特殊措施。交叉敷設是一種常見的方法，可以通過在不同方向上交叉飛行，增加航線的覆蓋面積。此外，還可以增加旁向和航向的重疊，以確保航線上的覆蓋效果更為完整和準確[4]。（3）實際和設計航高之間的差距應保持在一定范圍內，通常要求低于50 米，以確保飛行高度的準確性和穩定性。此外，無人機的最大和最小航高之間的差距也應控制在50 米以下，以避免過大的高度變化對飛行安全造成影響。相鄰航線上相鄰像片的航高差需要盡量低于30 米，以確保航攝圖像的連續性和一致性。（4）為了避免陰影對航攝圖像的影響，攝區的太陽高度角應達到40°以上，同時陰影倍數應控制在1.2 以下，以確保圖像中的細節清晰可見，并減少后期處理的復雜度。特別是在高層建筑體分布較為集中的城市中心區域，最佳的航攝時間通常是在正午前后2 小時內。這個時間段兼具光照強度適宜和陰影較少的特點，有利于獲取高質量的航攝數據。

2.1.3 現場踏勘

選擇合適的起降場地能夠保證航拍任務的順利進行。距離機場10 公里以上可以避免與其他飛行器發生沖突，通視效果佳和地勢平坦可以保證無人機的正常起降和飛行。此外，無明顯凸起物和水塘也能保證無人機飛行的穩定性和安全性。因此，在選擇起降場地時，需要根據任務需求和周邊環境進行綜合考慮，確保起降場地符合多項要求。干擾源的存在會嚴重影響無人機的飛行安全和數據質量。因此，在選擇起降場地時需要注意周圍是否有干擾源，并且應該避開這些區域。風力也是影響無人機飛行的一個重要因素，過大的風力可能會導致無人機失控或者飛行不穩定。因此，在實地踏勘時需要根據天氣預報或現場觀察來判斷風力大小，并根據判斷結果決定是否起飛。在風力過大的情況下，應當及時通知相關人員并采取相應的措施，以確保無人機的飛行安全[5]。

2.1.4 航空攝影

當確定好航線之后，需要實施無人機的組裝和檢查。正確地組裝無人機機身是保證飛行安全的基礎，需要仔細檢查螺旋槳的安裝、傳感器的連接等，確保每個部件都牢固可靠。同時，還要檢查相機的連接正常與否，確保相機鏡頭已經打開，以及存儲卡安裝正確與否。在機身組裝和相機連接都確認無誤后，還需要檢查網絡連接和電池電量。網絡連接的正常運行對于實時傳輸圖像和數據非常重要，例如網絡RTK 的連接是否穩定。而充足的電池電量則是保證飛行時間和任務順利完成的關鍵因素。當所有的檢查項都正常無誤后，連接電源，再次核對航線設計。同時，根據具體拍攝需求，對相機參數進行設置。通常情況下，將相機調整至M 檔，以便手動控制曝光和焦距?；诓煌奶鞖鈼l件，還需要調整ISO 感光度與曝光時間，以確保獲得最佳的圖像效果。一切準備就緒后，無人機便可以開始開展航空攝影工作。

2.2 三維模型構建

應當仔細分析測區控制網的主點坐標，在進行影像的拍攝時，會形成一些畸變參數。這些畸變參數需要明確定義，以便對影像進行校正和處理。在獲得點云數據后，通過連接點云中的點，形成表面三角面片，將其自動轉換成TIN 模型。為了獲得最佳視角影像紋理，需要從影像數據中獲取合適的紋理信息，并自動將其應用到模型上，以增加模型的真實感和細節。在建立模型的過程中，可以使用Tile 劃分計算的方法，對三維模型進行分析和挑選適宜的影像匹配單元。同時，需要自動選取各個視角下的最佳像對模型，并進行自由平差，以消除圖像中的誤差，提高模型的準確性?；谏傻拿芗c云數據，可以實行三維建模。在建模過程中，還可以對模型加以平滑與優化處理，以進一步提高其質量和真實性?；谌STIN 模型的空間坐標數據，可以對DEM 數據實行配對生成，以此達成自動化紋理映射的目標。

2.2.1 數據 Tile 劃分

基于作業區的具體范圍，確定建模區域再把項目劃分成多個區塊實行建模時，應當控制各區塊建模的Tile 劃分原點維持一致。而且對于Tile 劃分的大小根據計算機性能來確定，通常設置為0.1 千米＊0.1 千米，劃分操作可以使用軟件自動完成。

2.2.2 點云匹配

點云匹配是數字三維重建的核心過程之一，主要是將多源影像數據中的點云信息進行精確匹配。在實行三維場景重建任務前，需要對空間框架與處理規則加以確定，以保證后續處理的準確性和可靠性。點云匹配的過程中，需要形成高精準度的點云數據，并進行構網算法的更新改進，將異?；蚴峭黄鸬牟灰巹t點云篩選除去，讓多視影像密集和實際需求相符合。

2.2.3 TIN 網構建

TIN 網是一種用于表達現實三維場景的不規則三角網，它是基于數字點云所形成的。在TIN 網構建過程中，首先需要對點云數據實行切塊操作，并行處理每個塊，從而加速TIN 網的構建過程，做到在處理大規模點云數據時提高計算效率和減少資源消耗。同時，基于計算機的性能水平，可以根據需要設置不同的優先級別，確保在處理點云數據時能夠充分利用計算資源。

2.2.4 白模生成

白模主要用于表示物體的形狀、結構和空間關系，為后續的建模和渲染工作提供基礎。通過白模，可以更好地理解和分析現實場景的三維結構，為虛擬環境的構建和可視化呈現提供必要的參考。

2.2.5 紋理映射

在這一過程中，通過圖像實行收集和處理分析，利用有關圖像加工工具，如 Photo Scan 等，運用紋理映射算法對每一模型自動賦予紋理，并最終輸出 OSGB 格式的三維模型成果。在此環節，傾斜影像所攜帶的高精度空間坐標信息起到了關鍵作用，確保了紋理和對應坐標的準確匹配，從而實現了高精度的城市實景三維模型生成。

2.3 傾斜模型三維測圖

在傾斜模型三維測圖中，應用的坐標系統是2000 國家大地坐標系與3 度帶中央子午線。這種坐標系統能夠提供高精度的地理位置信息，并與現有的地圖和測繪數據相匹配。同時，高程基準采用的是1985 國家高程基準。在進行測圖之前，需要確定基準和地形高度間的夾角。根據規定，這個夾角通常設為1°，以保證測量的地形誤差值和基準高度的夾角不超過0.1°。

2.4 內部數據收集

在完成模擬與重建3D 模型這一步驟后，需要對模型的精度進行評估，以確保其符合精度要求。若是模型精度不夠，需要重新進行調整和優化，直至滿足要求。一旦模型符合精度標準，就可以采用專門的數據收集軟件為其收集數據，以更加全面地了解內部區域的地理特點以及地形狀況。無人機傾斜攝影測量技術所獲取的圖像是經由多角度攝得的，所以基于這些圖像創建的3D 模型能夠用來線路規劃和圖像收集中，獲得的地物地貌特點邊界與角點，由多角度收集編繪，當3D 模型數據收集結束之后，便可得到模型內建筑體與其它地形元素的坐標數據。

2.5 成果精度分析及誤差

在實施地形圖測繪時，必須遵守城市測量規范，以確保數據符合要求。傾斜攝影測量技術被廣泛應用于地形圖的制作中，其可以獲得高精度的矢量信息，符合測繪規定。然而，在進行外業航拍作業時，也需要保證照片分辨率滿足精度要求，這對空三角測量準確度以及構建模型的質量都有著直接影響。Smart3D 自動空中三角測量加密技術是一種較新的技術，可減少誤差并提升空三數據的精準度。不過，在實際應用過程中，人工干預仍然是必要的，以進一步提高編繪地形圖的精度和準確性。此外，也需要注意現場環境和客觀因素對數據采集的影響，如天氣、地形等因素，以及設備操作問題等。

3.應用案例

3.1 工程概況

本項目處在廣東省東莞市厚街鎮海逸豪庭項目。東莞冠亞環崗湖商住區建造有限公司厚街鎮海逸豪庭G2b 期住宅發展項目核實測量任務。

3.2 相關設備及相關處理軟件

本項目所使用的主要設備為大疆多旋翼M600pro 型無人機和Riy-D2 傾斜攝影相機。測量過程中，使用華測X10 Pro 型GPS（RTK）接收機進行定位。該接收機采用網絡（RTK）定位法，結合東莞市GPS 連續運行參考站（YCCORS）系統，可以實現高精度的定位和測量。通過在測量區域內設置像控點，并利用這些控制點進行實時定位，可以提高測量的精度和準確性。在數據處理方面，本項目使用Context Capture Center 軟件。該軟件具有強大的圖像處理和三維重建功能，通過對采集到的傾斜攝影圖像進行處理和匹配，可以得到高質量的三維模型數據，為后續的測量和分析提供基礎。此外，本項目還使用EPS 三維測圖系統進行竣工圖的采集。

3.3 航線布設及數據獲取

在設計航線方案時，需要考慮拍攝角度和航線覆蓋率等因素，以確保邊緣航線也能夠獲取有效影像數據。在本項目中，為了滿足這個要求，設定了總共24 條航線，航向與旁向重疊度為80%-70%。這樣，不僅可以保證每張照片都有足夠的重疊部分，還能夠避免出現影像死角。此外，飛行高度與旁向間距的選取，直接影響到圖像分辨率和覆蓋范圍。而航向間距則直接決定航線的數量和長度。在本項目中，選擇了飛行高度為120 米，旁向間距為33-59 米，航向間距為16-20 米，獲取道路清晰的圖像，并保證數據采集的效率。最終，通過5 組傾斜影像數據的采集，得到了共計5000 多張照片，每張都具備相應的POS 數據。

3.4 數據解算總結

輸入影像信息相應的POS 數據，相對定向、匹配提前特征點與已連接點、區域網平差，生產測區的空中三角測量結果。在此基礎上，有效將特征點提取出來，創建三角網與映射問題，生成三維傾斜模型。

3.5 矢量測圖

使用EPS 三維測圖系統，基于傾斜數據對建筑體以及點狀物實施測量，在實際采集過程中，需要對各種地物賦予對應編碼，編繪竣工圖。

結語：

把無人機技術和傾斜攝影測量技術進行聯合應用，可以同時發揮二者的優勢，尤其是在規劃核實測量中應用具備突出的優越性，已然成為今后發展的主要方向。不過，就目前而言，依舊存在一些技術難點與改進空間，因此需要持續展開研究分析，以此促進此次技術的進一步完善。