后劍秋

（長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410000）

0 引言

在大比例尺地形圖測量中，可以利用搭載傳感器的無人機(jī)，以傾斜航空攝影的方式，獲取地表及附著物的多視角紋理信息，并借助傾斜航空攝影模式下的先進(jìn)的自控飛行技術(shù)、三維模型生成等技術(shù)，生成實(shí)景三維模型，由此得到更加詳盡、精準(zhǔn)的地形圖測量結(jié)果，為后續(xù)的地形圖繪制提供依據(jù)。為此，應(yīng)積極探索傾斜航空攝影的應(yīng)用，以不斷總結(jié)相關(guān)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，充分發(fā)揮傾斜航空攝影在地形圖測繪上的效能。

1 傾斜航空攝影概述

傾斜航空攝影是一種新型的航空攝影方式。這種航空攝影方式通過在無人機(jī)上設(shè)置或搭載傳感器，可以實(shí)現(xiàn)四個側(cè)視角度、一個垂直角度的多角度地物影像信息采集，而這種多角度的地物影像采集模式相較于傳統(tǒng)僅支持正射影像采集的豎直航空攝影方式，能夠更加完整、精準(zhǔn)獲取地形圖數(shù)據(jù)測量結(jié)果，因此，傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中具有更加明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，可以為地形圖的測繪提供更具體、準(zhǔn)確的地物的外觀和形態(tài)信息。

就目前來看，傾斜航空攝影系統(tǒng)通常包括無人機(jī)、專業(yè)航飛人員和傳感器等。其中，傳感器由多鏡頭相機(jī)、GPS 定位裝置和姿態(tài)定位系統(tǒng)等部分組成。多鏡頭相機(jī)的拍攝方向?yàn)樽笥?、前后、下方? 個方向，且支持同時進(jìn)行5 個方向的拍攝，與此同時，在實(shí)際飛行中，各個相機(jī)還可以根據(jù)對應(yīng)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行自動曝光拍攝，因此，傾斜航空攝影模式支持一次性完成幾十平方公里范圍內(nèi)地形模型、建筑構(gòu)筑物的獲取，極大地提高了建模效率，而且建模質(zhì)量較高，紋理真實(shí)性強(qiáng)。此外，傾斜航空攝影還能獲得正射影像和數(shù)字高程模型，方便后續(xù)的正射糾正與立體測圖等處理工作[1]。結(jié)合之前做過的項(xiàng)目，對傾斜攝影所得1:500 地形圖上的特征同名點(diǎn)，進(jìn)行外業(yè)實(shí)測檢測，再經(jīng)過平面精度統(tǒng)計(jì)（圖1）、高程精度統(tǒng)計(jì)（圖2），分析得出，應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)所得出的測量結(jié)果精度，能夠滿足1:500 地形圖繪制所需的精度要求。

圖1 平面精度統(tǒng)計(jì)

圖2 高程精度統(tǒng)計(jì)

2 傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中應(yīng)用的流程

在大比例尺地形圖測量中，首先，需要充分收集所測區(qū)域的信息資料，如坐標(biāo)系統(tǒng)、控制點(diǎn)成果、高程基準(zhǔn)參數(shù)等，然后根據(jù)這些參數(shù)，制定出航空攝影無人機(jī)飛行路線方案，并借此確定地面分辨率、傳感器搭載方案、飛行高度、拍攝間隔等參數(shù)條件，同時還要辦理好相關(guān)的空域申請手續(xù)[2]。其次，需根據(jù)上述方案，進(jìn)行測區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)，再用搭載了傳感器的無人機(jī)，進(jìn)行傾斜航空攝影，以實(shí)現(xiàn)從多個不同角度進(jìn)行待測地區(qū)的地形數(shù)據(jù)采集[3]。再次，將通過傾斜航空攝影獲取到的地形數(shù)據(jù)，導(dǎo)入專業(yè)的軟件中，然后軟件即可通過對數(shù)據(jù)的密集匹配，完成高密度真彩色點(diǎn)云的產(chǎn)出，再利用闡述的點(diǎn)云，建立TIN 三角網(wǎng)，由此產(chǎn)出高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型。之后，再對該模型采取濾波處理操作，同時融合差異性的匹配單元，構(gòu)建出最終的實(shí)景三維模型。最后，基于該模型進(jìn)行大比例尺地形圖測量，并采用補(bǔ)測的方法，對測量結(jié)果進(jìn)行簡單的補(bǔ)充，即可完成地形圖測量，為后續(xù)的地形圖繪制提供依據(jù)，如圖3所示。

圖3 傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中應(yīng)用的流程

3 傾斜航空攝影在大比例尺地形圖測量中的應(yīng)用策略

3.1 做好前期準(zhǔn)備

在傾斜航空攝影應(yīng)用中，前期準(zhǔn)備是第一項(xiàng)程序。該程序中主要包括設(shè)備選用、測繪區(qū)域信息收集、飛行范圍確定、像控點(diǎn)布設(shè)等操作。在前期準(zhǔn)備中，常用的無人機(jī)有兩種，即垂直起降固定翼無人機(jī)、單鏡頭多旋翼無人機(jī)。其中，垂直起降固定翼無人機(jī)一般是搭載五拼裝相機(jī)，垂直起降固定翼無人機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 所示，五拼裝相機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2 所示，其的主要優(yōu)勢在于，相較于傳統(tǒng)固定翼的無人機(jī)，其無須手拋、彈射，就能夠直接借助4 個旋翼進(jìn)行垂直起降，規(guī)避了硬著陸、起飛事故等因素?fù)p壞設(shè)備的問題，而且其的配套軟件支持筆記本安裝使用，并可以在傾斜攝影過程中，通過地面電臺，保持?jǐn)?shù)據(jù)鏈連接[4]。

表1 垂直起降固定翼無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 五拼裝相機(jī)技術(shù)參數(shù)

而單鏡頭多旋翼無人機(jī)自帶云臺相機(jī)，單鏡頭多旋翼無人機(jī)參數(shù)如表3 所示，此種無人機(jī)支持-90°～30°的鏡頭仰俯，以及對同一區(qū)域的多架次、多角度拍攝，同時還可以直接用專業(yè)的飛控軟件對其進(jìn)行控制。在此過程中，只需要在軟件中選好航高、航向、旁向重疊度，軟件即可自動設(shè)置拍照間隔、航線間距、飛行時間等參數(shù)[5]。

表3 單鏡頭多旋翼無人機(jī)參數(shù)

在準(zhǔn)備工作中，首先，需要根據(jù)大比例尺地形圖測量工作的實(shí)際條件進(jìn)行上述兩種無人機(jī)的選用。其次，再結(jié)合地形圖繪制要求，根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇笾碌匦螤顟B(tài)，界定測量范圍，以及無人機(jī)飛行范圍，再立足于此，進(jìn)行布設(shè)像控點(diǎn)。一般來說，布設(shè)像控點(diǎn)需要在配套的軟件中進(jìn)行，并按照一定距離，進(jìn)行像控點(diǎn)的均勻布設(shè)。在像控點(diǎn)的選擇過程中，需要根據(jù)測繪像控點(diǎn)布設(shè)的距離要求，盡量選擇空曠、交通便利的區(qū)域布設(shè)像控點(diǎn)，同時也要確保像控點(diǎn)所在地平整、無陰影、無遮擋、方便查找，避免設(shè)置在房角、樹下等容易遮擋的地方。最后，待像控點(diǎn)布設(shè)完畢后，即可前往現(xiàn)場，尋找標(biāo)志性的地面特征，或制作地標(biāo)，作為像控點(diǎn)位置的標(biāo)志，再使用GNSS-RTK 按照圖根點(diǎn)精度進(jìn)行像控點(diǎn)的測量。之后，即可通過將測圖范圍、像控點(diǎn)參數(shù)輸入飛控軟件中，得出航線規(guī)劃方案，完成前期準(zhǔn)備，為后續(xù)的傾斜攝影應(yīng)用提供依據(jù)。但在上述過程中，需要注意，需做好航測分區(qū)，并確保各個分區(qū)內(nèi)的地形高差在1/4 相對行高以內(nèi)，而且應(yīng)盡量將地貌類型相同、地物景反差一致的區(qū)域劃分為同一個分區(qū)，同時，也要做好架次的選擇，并根據(jù)實(shí)際測繪需求，以及當(dāng)?shù)氐匦?、條件情況，進(jìn)行架次的設(shè)置。

3.2 落實(shí)外業(yè)航攝

傾斜航空攝影的應(yīng)用中，待上述前期準(zhǔn)備工作完畢后，即可進(jìn)行外業(yè)航攝。在此環(huán)節(jié)中，需要運(yùn)用無人機(jī)配套的飛控軟件，按照規(guī)劃好的航線對無人機(jī)的航攝進(jìn)行控制。但應(yīng)注意，為了更好地控制無人機(jī)的飛行方向，需要確保無人機(jī)迎風(fēng)起飛，并在起飛時根據(jù)風(fēng)向調(diào)整方向，而且在起飛同時要對飛行時間進(jìn)行記錄，以監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行時長，以便于在其電量耗盡之前，加以召回。一般來說，在前期遙控飛行的模式下，需每隔5～10s 記錄飛行高度、速度等數(shù)據(jù)，以及時調(diào)整無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，保持其平穩(wěn)飛行。待無人機(jī)狀態(tài)良好、確認(rèn)無問題后，即可調(diào)整至自動控制的模式，但需要注意，當(dāng)無人機(jī)在視距外飛行時，需要密切監(jiān)視其的飛行高度、電源電壓、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)立即發(fā)送控制指令進(jìn)行干預(yù)，以免其故障，造成損失。

待無人機(jī)完成傾斜航空攝影任務(wù)之后，即可做好無人機(jī)降落準(zhǔn)備。在此過程中，需根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速等實(shí)際情況，在合適的時間點(diǎn)，將自動飛行模式調(diào)整為遙控飛行模式，以控制無人機(jī)順利落地。無人機(jī)落地后，需要從無人機(jī)中影像存儲卡取出，然后對存儲卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影精度核準(zhǔn)，同時，還要對無人機(jī)的油量、電量、機(jī)載設(shè)備進(jìn)行檢查，以及時發(fā)現(xiàn)和處理使用過程中產(chǎn)生的損耗故障，確保無人機(jī)后續(xù)的正常應(yīng)用。

3.3 推進(jìn)攝影精度核準(zhǔn)

攝影精度核準(zhǔn)是傾斜航空攝影應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。工作者需要借此確認(rèn)此次傾斜攝影操作所獲得的數(shù)據(jù)信息是否能夠支持地形圖測繪應(yīng)用，并篩除不滿足精度要求的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，以確保地形圖測量結(jié)果的準(zhǔn)確、有效。

在攝影精度核準(zhǔn)過程中，考慮到傾斜攝影的成果數(shù)據(jù)是數(shù)字三維模型，而該模型作為傾斜攝影模式下的地形圖測量結(jié)果，其需要服務(wù)于大比例尺地形圖的繪制，因此，需要確保傾斜攝影所獲取的數(shù)據(jù)信息精度，優(yōu)于大比例尺地形圖測繪精度要求。基于此，精度核準(zhǔn)一般立足于兩個維度，即平面精度、高程精度，而這兩個維度對應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)分別為平面位置中誤差、高程中誤差。其中，在平面中誤差的計(jì)算中，首先，提取數(shù)字三維模型中的平面檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以及平面檢查點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)。其次，將兩個坐標(biāo)進(jìn)行較差運(yùn)算。最后，用中誤差公式，對上述較差結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，得到中誤差。而在高程中誤差的計(jì)算中，也需要運(yùn)用三維模型中的檢查點(diǎn)高程，以及檢查點(diǎn)實(shí)測高程進(jìn)行較差運(yùn)算，再用中誤差公式計(jì)算得出中誤差。當(dāng)檢查點(diǎn)數(shù)量在20 個以內(nèi)時，上述兩個中誤差計(jì)算公式如下：

式中：M——中誤差；n——檢查點(diǎn)數(shù)量；Δi——較差值。

當(dāng)檢查點(diǎn)數(shù)量超過20 個時，上述兩個中誤差計(jì)算用的中誤差計(jì)算公式如下：

式中：M——中誤差；n——檢查點(diǎn)數(shù)量；Δi——較差值。

3.4 根據(jù)需求進(jìn)行補(bǔ)測

在傾斜航空攝影的應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)對一些地物的漏測，而出現(xiàn)這一情況的主要原因在于，部分地物較為細(xì)小，如鋼絲鐵網(wǎng)、路燈、電線桿等，但拍攝時的影像分辨率較低，無法支持細(xì)小地物的測量。對此，就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)測。在此過程中，考慮到傾斜航空攝影所得到的影像，經(jīng)過建模紋理映射處理后，所生成的DOM 在分辨率方面會比原始影像更低，所以，在補(bǔ)測過程中，可以先查看原始影像，并用原始影像得出補(bǔ)測結(jié)果，以提高傾斜航空攝影成果的完整性。在補(bǔ)測時，可以考慮采用傳統(tǒng)的垂直攝影測量方式，對傾斜航空攝影的垂直方向影像進(jìn)行處理，再采用立體測圖的方式，完成補(bǔ)測。

此外，在補(bǔ)測過程中，針對因高程打點(diǎn)被植被覆蓋造成的漏測，可以考慮重新進(jìn)行打點(diǎn)，將打點(diǎn)位置轉(zhuǎn)移到植被覆蓋的空隙處，再進(jìn)行傾斜航空攝影補(bǔ)測即可。但如果植被分布密集、覆蓋范圍較大，找不到合適的空隙處，則可統(tǒng)一在植被頂部打點(diǎn)，再將這些點(diǎn)的測繪結(jié)果減去植被的高度即可。但如果植被覆蓋密集，同時僅有局部地區(qū)被覆蓋，那么則可以考慮對被覆蓋地區(qū)進(jìn)行專門的測量，再將測量結(jié)果與整體傾斜航空攝影結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，由此得出漏測部分的數(shù)據(jù)。不過應(yīng)注意，如果被大面積高度不一致的稠密植被所覆蓋，就無法通過上述傾斜航空攝影的方法進(jìn)行補(bǔ)測，則需要進(jìn)行實(shí)測，來補(bǔ)充地形圖繪制所需的測量結(jié)果，以支持大比例尺地形圖測量工作的有效推進(jìn)。

4 結(jié)語

綜上所述，在大比例尺地形圖測量中實(shí)現(xiàn)對傾斜航空攝影的有效應(yīng)用，能夠提升地形圖測繪工作水平。在大比例尺地形圖測量中，采取有效措施，精準(zhǔn)落實(shí)各項(xiàng)傾斜航空攝影操作程序，可以讓傾斜航空攝影的應(yīng)用效果順利達(dá)到預(yù)期，從而在更短的時間內(nèi)，獲取更加完整、安全、精確的區(qū)域地形信息，加快推進(jìn)大比例尺地形圖的繪制。