无人机三维测绘关键技术及应用研究

许晟铭

（河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210000）

0.引言

无人机凭借其机动灵活、作业范围广、成本低等特点，在各领域的应用越来越广泛。与传统测绘手段相比，无人机三维测绘技术可以快速、精准地获取地表信息，从而大大减轻了工作的强度。此外，利用无人机测绘生成的高精度三维模型，在各行业领域中作为一种更加立体直观的场景进行展示[1]，从而进一步扩大了无人机的应用范围，使其在测绘、国土、矿山、林业、文物保护、数字城市等领域得到广泛的应用。

无人机三维测绘技术融合了北斗（GPS）、通信、影像处理等不同技术，通过无人机搭载一台自带减震、优化参数的五镜头相机，拍摄高清影像，经过软件集群处理生产三维模型，在室内基于三维模型生产数字线划图，从而满足各行业对数据的需求。

1.无人机的优势

1.1 适应性强，操作灵活

无人机三维测绘技术具有很高的灵活性，和传统的测量技术相比，无人机适用于多种复杂场景，可以满足矿山测量、文物保护、水利应用等复杂场景的作业。

1.2 大大提高工作效率

无人机三维测绘技术的应用，可以大幅减少人工操作的工作，进而在保证测绘成果质量的前提下提高作业效率[2]。在日常的测绘工作中会有许多小的区域，容易受到地理环境的影响，工作效率较低。无人机可以快速地获取影像，减轻了工作人员的压力，提升了工作效率。

1.3 有效降低工作成本

传统测绘手段以外业为主，成本投入较高，测绘周期也较长。而无人机主要以室内作业为主，可以大幅度减少外业工作量，同时减少因第三方因素对工作造成的影响，从而降低了劳动力成本，缩短了测量周期，大幅减少了人力、物力、财力的投入。

1.4 数据处理精准度高

利用无人机三维测绘技术，可以在确保安全的情况下高效地完成野外测绘工作。通过无人机搭载高分辨率的相机，采用低空飞行的方式，可以获取高精度的影像，大大提高成像的质量[3]。与卫星遥感比，无人机获取的影像分辨率更高，能够更加清晰地反映地表的实际情况。同时，基于无人机获取的高精度三维模型，可以进行立体化的测量工作，从而可以有效提高数据的精准度。

2.无人机三维测绘关键技术

2.1 无人机航飞

2.1.1 倾斜航空摄影

倾斜摄影测量技术是通过在飞行平台上安装多个镜头，从不同方向获取地表的影像，包含四个倾斜方向和一个竖直方向，其中和地面垂直的一组影像称为正片，与地面成一定角度的四组影像称为斜片[4]。通过无人机搭载五镜头倾斜相机进行倾斜航空摄影，可从五个不同角度采集地面影像，从而获取地物的三维数据，如图1所示。

图1 倾斜摄影示意图

在航线规划时，可根据精度要求，按照下视镜头地面分辨率优于3 cm、1.5 cm等进行航线规划。在进行航空摄影时，严格按照航线设计的GPS导航数据进行航摄工作，选择在能见度不低于1 km、光照条件良好的天气进行航空摄影，以保证影像清晰、色彩鲜明、色调一致、反差适中、颜色饱和，能较清楚地分辨各类地物。每完成一个架次的航摄工作，及时下载数据，并进行航摄质量的质检工作。若出现相对漏洞、绝对漏洞及其他缺陷时，应及时补摄或重摄，漏洞补摄按原设计航迹线进行，并采用同一主距的数字航摄仪进行补摄工作。

2.1.2 控制测量

控制点布设要完全覆盖整个测区，且分布均匀。在硬化地面使用钢钉，非硬化地面先打入木桩后使用钢钉，作为图根点标志，如图2所示。

图2 控制点布设分布示意图

利用连续运行基准站系统支持下的网络RTK进行测量，获取每个点的三维坐标（XCGCS 2000、YCGCS 2000、h大地高）。

2.2 内业数据处理

2.2.1 像片控制测量

像控点的布设及测量为航测内业成图提供了必要的平面和高程控制成果，是保证成图精度的关键环节。测区均匀布设像控点，并保证测区拐点处布设控制点，个别困难地区在保证后处理精度的情况下可适当放宽，灵活调整。像控点全部为地标或已有地物像控点，地标像控点在航飞前铺设地面标志，然后进行像片判刺和外业测量。

不同航摄分区单独布设像控点，不同分区重叠区域应布设共用像控点，便于空三成果的分区接边。

为检核内业加密点及项目成果的精度，同时在测区内均匀布设检查点，检查点精度同平高控制点精度，检查点需选在明显的地物点上，位置应远离区域网控制点和全野外高程点，检查点成果单独整理交质量检查部门使用。

2.2.2 空中三角测量

采用软件ContextCapture Center，通过无人机搭载的POS系统可以获取相片的外方位元素，计算获取到的所有影像覆盖范围内的相片，采取分级匹配的模式，在不同级别的相片上进行同名点的自动匹配和基于光束法的自由网平差，从而得到较好的匹配结果。与此同时，通过编辑连接点并导入控制点坐标，结合差分GPS的数据，实现多视角影像自检校区域网平差迭代计算。通过对局域网平差进行多次反复联合解算，最终得到符合精度要求的平差结果，如图3所示。

图3 空中三角测量计算示意图

（1）将原始数据整理好之后，将做好的block文件或者txt文件导入新建的工程中。导入之后再一次检查照片和pos数据是否一一对应；

（2）划分空三分区，进行无控空三加密，便于后续控制点刺点工作。无控空三结束，需检查影像是否分层，若影像分层，需要对空三进行优化；

（3）设置成果坐标系；

（4）添加像控点：根据外业采集的像控点的地理坐标，在关联照片上进行刺点，每个控制点所在影像数目不得低于3张，优化空三加密结果；

（5）进行光束法区域网平差计算；

（6）对空三成果进行质检：利用检查点对空三成果进行质检，要满足规范要求。如若不满足，分析原因并再次进行空三加密操作，直至满足要求。

2.2.3实景三维建模

利用ContextCapture Center的三维重建功能，能够实现实景三维模型的全自动计算。软件的三维重建算法会自动匹配每个格网面片的影像纹理，确保各个三维格网模型顶点放置在最佳位置，从而以更少的瑕疵表现更精细的细节和更锐利的边缘，大幅提高几何精度，最终形成三维尺度的密集点云。基于点云可自动生成不规则三角网（TIN），同时基于软件的自动优化算法，可以将错误匹配的三角网顶点进行删除或修复，实现对TIN三角网的平滑优化，以达到最佳的三维表达效果。最后根据TIN三角网各顶点的空间位置信息，自动匹配最优的视角影像，完成模型纹理的构建，最终形成高精度的实景三维模型，如图4所示。

图4 实景三维模型制作流程图

2.3 三维立体测图

在三维模型的基础上，用SV365智能测绘系统进行三维模型的矢量化工作，在此过程中将直接标注建筑物的属性（层高和材质），并且矢量化后的建筑物已进行了房檐改正，外业只需核实，无需再次进行此项标注工作，矢量化其余要求与立体采集一致。

3.精度检验

3.1 某农村地籍测绘项目

对某地农村开展地籍测绘，如表1所示。由于该村落分布不均匀，导致了以下结果：

表1 某地籍测绘项目精度检测表 单位：m

3.1.1 碎部点检测结果

高精度平面检测点473个，粗差0个，平面中误差=0.032m；

高精度高程检测点24个，粗差0个，高程中误差=0.045 m。

3.1.2 房产边长检测结果

量边167条边长，相邻边87条，房屋边80条。其中：

较差大于0.2 m以上的有17个；

较差在0.15 m-0.2 m以内的有6个；

较差在0.10 m-0.15 m以内的有8个；

小于0.10 m的有136个，其中0.05 m以下的有111个。

3.2 某开发区1∶500地形图测绘项目

对某开发区32 km21∶500地形图利用无人机三维测绘技术进行制作，图幅数共644幅，坐标系统采用CGCS 2000国家大地坐标系；高程基准采用1985国家高程基准。经随机抽样检验：实地检测1∶500地形图地物点相对于临近控制点点位检测中误差最大为0.29m（限差±0.30 m），高程注记点检测中误差最大为0.28 m（限差±0.40 m），数据精度基本符合设计的要求，如图5所示。

图5 某开发区1∶500地形图测绘项目

4.成果应用

通过上述过程生成的指定区域的实景三维模型、数字线划图（DLG）、数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM），可以更高效地服务于各行业领域的数字化、智慧化应用建设。

4.1 国土测绘

国土测绘是无人机的主要应用领域之一，无人机可以很好地服务于国土测绘的诸多领域，如，地形图测绘、地籍测量、不动产测绘、国土资源普查、地质灾害监测等。一方面无人机从空中进行测绘，摆脱了地形、环境、气候等的限制，测绘范围更广、效率更高；另一方面无人机替代人工进行测绘，也将测绘人员从各种灾害与危险中拯救出来，在降低人力成本的同时，也保障了其安全性。

4.2 城市规划

城市规划也是无人机三维测绘的另一大“用武之地”。在城市规划中，无人机三维测绘技术可以从空中作业，能减少地面测绘的限制和盲点，提升测绘效率与精度。除此以外，无人机取代人工，能节约测绘成本，保护人员安全，可以作为城市规划的重要手段来使用。

4.3 文物保护

利用无人机三维测绘技术可以为文物建立高精度实景三维模型，实现文物古迹的三维数字化。依托无人机空中无接触的优势，可以很好地保护文物的本体结构，不会给文物本体带来破坏。与此同时，无人机测绘文物还能打破空间限制，提升测绘效率和精度，降低测绘成本。对于文物数据获取和后续修复保护来说，无人机测绘作用明显。通过建立文物三维数字化档案，为文物展示、数字化修复、科研、文化交流、基础培训、数字产品与衍生品的开发等提供了数据支撑。

4.4 矿山测量

随着生产的推进，各煤矿企业矿井开采范围、工业广场、生活区范围等也在发生着变化，利用无人机三维测图技术可以进行矿山地形图、影像图、井上下对照图等的更新与制作。利用无人机除了可以获取高精度的矿山影像，还可以保证人员安全，大大提高矿山测量作业的效率。

4.5 水利工程

无人机倾斜摄影技术，应用于水利工程建设、管理的全过程。通过三维实景模型为水利工程的勘查、设计、选址、土石方计算、进度监测等提供有效的数据依据，既节约了时间，又节约了成本。三维模型与水文信息的融合，为水利工程提供更直观的管理模式。

4.6 数字城市

利用无人机三维测绘技术，搭建城市三维模型，以数字化方式直观展示城市的三维立体场景，为数字城市建设提供基础的三维数字底座，无限扩展数字可视化管理应用，提升城市整体信息化建设水平。

5.结束语

综上所述，利用无人机三维测绘技术实现对地表的快速三维建模工作，大大提高测绘作业效率，可以满足地籍测量、1∶500地形图等测绘精度的要求。除此以外，无人机三维测绘技术还可以服务于各行各业的信息化建设。随着技术的进一步发展，未来无人机三维测绘技术将会为越来越多的智慧化行业应用提供数据支撑，进而助推数字中国、实景三维中国、智慧城市等的建设。