无人机航测倾斜摄影在工矿遗址上的应用

朱 超

（北京京能地质工程公司，北京 102300）

0 引言

无人机倾斜摄影技术已成为低空数字摄影测量领域的一项高新技术，已彻底解决厘米级分辨率影像和大比例尺地形图的现时、快速获取问题[1]。摄影测量已不再局限于小型地形图，它也被广泛用于大面积中小型地形图的测绘。航空摄影测量技术相对于传统测绘技术的优势是显而易见的，它可以快速收集数据，缩短测绘周期，并节省大量的人工成本。这些优势使其向着城市变形监测、资源开发、新农村建设、城市规划、重大工程项目、国土资源遥感监测等领域迅速拓展[2]。无人机航测倾斜摄影技术亦可应用于工矿遗址项目。本文通过工矿遗址倾斜摄影航测工程实例，介绍倾斜摄影技术生产测绘产品的流程，并进一步探索工矿遗址三维模型在空间测量、3D 漫游、与BIM 结合方面的应用。

1 无人机倾斜摄影系统简介

1.1 无人机倾斜摄影技术

无人机航测倾斜摄影技术改变了传统测绘作业方式，具有划时代的意义。传统的正射影像只能从一个垂直视角进行拍摄，通过倾斜摄影技术在飞行平台上搭载多台影像传感器，同时从垂直及倾斜不同角度采集影像数据（见图1）。采集影像数据的同时，记录无人机飞行航高及航速，航摄影像的航向和旁向重叠率、位置、姿态等参数信息。影像数据不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过GPS 定位技术嵌入地理信息，进而获得更高的数据利用价值[3]。

图1 无人机倾斜摄影系统[4]

1.2 无人机倾斜摄影技术的特点

（1）生产三维模型：通过该技术生产的三维模型具有很好的现时性，能够反映地物的真实情况，从三维模型中可以获得地物的位置、高度、面积、体积等属性信息。

（2）极高的性价比：倾斜摄影技术所获取的影像数据，经数据处理后还可以得到数字正射影像（DOM）、数字地表模型（DSM）、数字线划地图（DLG）等4D 测绘类产品成果[5]。

（3）节约人力成本：几百人外业工作完成的工作量相当于一架无人机通过该技术一天的外业航测作业量，大量的外业工作变成室内的内业数据处理工作。同时，数据处理使用高性能工作站集群运算，能够实现无人监守自动化生产。

1.3 无人机倾斜摄影系统组成

无人机倾斜摄影系统包括无人机飞行器，飞行控制系统，搭载的倾斜摄影传感器，地面控制站设备以及数据处理工作站集群。在本项目中飞行平台采用智绘鹰S100 型无人机，内置PPK 定位模块，搭载影像传感器为五镜头相机，焦距25 mm，单镜头像素为2430 万，侧视镜头角度为45°，传感器分辨率6000×4000（见图2）。

图2 搭载相机5 镜头分布

2 工矿遗址概况

王平煤矿位于北京市门头沟区的中东部地区，地处北京西山，曾是京西地区的八大煤矿之一。长沟峪煤矿位于北京市西南地区，距北京市中心45 km，行政区划属房山区周口店镇。2016年开始，长沟峪煤矿主动完成了关停矿井、拆除井下生产设备，现已关停。

为实现煤矿遗址的规划设计再利用，对两个煤矿遗址进行无人机倾斜摄影航测，获取地面影像数据，建立实景三维模型，生产数字正射影像，为后期的规划设计建设提供基础数据。

3 无人机航测具体步骤

3.1 现场踏勘

外业起飞前，需要对项目飞行的区域进行踏勘，以便对测区的情况进行了解，有助于布设像控点及无人机起降点的最佳位置。经现场实际踏勘，王平煤矿测区范围3 km2，长沟峪测区面积2 km2，初步确立了像控点的位置以及最佳无人机的起降点（见图3）。

图3 工矿遗址

3.2 布设测量像控点及航线设计

像控点是摄影测量控制加密的基础，其布设的位置和数量直接影响到航测数据后期处理的精度，所以像控点的布设和选择应当规范、准确。选择像控点位置时，应当选择地形测量通视良好且可以从空中明确辨认的地物和目标点。布设的标志点应对空视角好，避免被建筑物、树木等遮挡。本项目采用九宫格方式布设像控点。根据测区范围，在Google Earth Pro 绘制测区边界，根据地图上海拔高程，进行像控点布设标记。其中王平煤矿布设了16 个像控点，长沟峪煤矿布设了20 个像控点，长沟峪煤矿采用分区域分块生产三维模型的处理方式，所以在分块交接位置增加了像控点的数量，以保证三维模型精度（见图4）。

图4 王平煤矿遗址像控点布设图

根据本项目生产1∶500 地形图的精度要求，地面分辨率GSD≤0.01 M（cm）(M 为成图比例尺分母)[6]，本项目地面分辨率GSD 应小于5 cm。根据航高计算公式H=ƒ×GSD/α（ƒ为焦距，α像元尺寸），搭载相机主焦距ƒ=25 mm，像元尺寸α=15.6/4000=3.9 μm，计算得到设计航高为320 m。飞行高度越低，地面分辨率越高，根据现场实际情况综合考虑，设计航高100 m，地面分辨率GSD 达到1.56 cm，满足项目设计的精度要求。

在规划飞行航线时，利用Google Earth Pro 软件导出测区范围KML 文件，导入DJI GS PRO 地面控制站，在测区范围内按照测绘航拍模式规划飞行航线。为更好地获得模型效果，设置无人机航向及旁向重叠率80%以上，航高100 m。航线设计考虑到电池续航问题，其中王平煤矿项目划分了11 个任务区，即划分了11 个飞行架次，采用阶梯式飞行，设计航线高差不超过飞行高度的50%。长沟峪煤矿项目划分9 个飞行架次（见图5）。

图5 长沟峪煤矿遗址航线规划图

3.3 像控点测量和外业航飞

像控点的测量应该在外业航飞之前进行，像控点坐标采集使用RTK 方式测量，记录所有像控点在地方坐标系及WGS84 坐标系下坐标。

像控点测量完成之后，架设静态PPK 测量基站，用于航飞后与机载差分定位数据解算，获得高精度的照片位置信息。选择比较空旷的地方作为无人机起飞和降落的地点，准备航飞。

航飞作业前，首先利用DJI GO 对无人机进行自检，检查影像传感器、指南针等各项参数是否正常，如无人机提示校准指南针操作，应按照提示操作方法进行人工校正，自检通过后才可以准备飞行。将航线设计参数通过DJI GS PRO 地面控制站上传到无人机，开始航飞（见图6）。

图6 设置航飞参数

3.4 解析空中三角测量

空中三角测量是在已知少量地面控制点的基础上，通过量测重叠像片的像点坐标，依据立体像对的相对定向和绝对定向等摄影测量原理，运用数学方法解求加密控制点坐标的方法。本项目通过ContextCapture 软件进行空中三角测量计算，首先对外业航测影像数据进行检查，筛除不合格不能用于构建模型的影像，然后将像片与PPK 差分解算出来的照片位置数据同时导入软件，进行自动空中三角测量计算。由于照片拍摄质量和解算定位精度影响，空三计算一般需运行2～3 次才能通过[7−8]。

空三计算通过后，进行像控点刺点工作，每个像控点刺5 张以上的影像，像控点清晰的影像尽量多刺，每个镜头都应进行刺点，刺点完成后再次进行空三计算。空三通过结束后，软件会自动生成空三计算质量报告，根据报告可以直接查看精度情况（见图7、图8）。

图7 空中三角测量计算

图8 空三加密计算质量报告

本项目中重投影误差的RMS（像素）均小于1 像素，像控点显示为绿色，说明精度很高，满足进行下一步模型建设的要求[9−10]。

3.5 生产实景三维模型

根据测区范围导入生成模型范围数据文件，然后对模型进行切块，进行三维模型的计算。生产三维模型需要的时间较长，对工作站的配置要求也比较高，根据工作站性能配置情况进行合理切块，生产三维模型中间不需要人为干预，工作站会自动运算，直到全部三维模型生产成功（见图9）。

图9 长沟峪煤矿遗址三维模型

两个测区均采用多架次航测路线，分区域进行三维模型生产，需要注意，各区域生产模型时要设置统一的模型原点坐标，这样生产的三维模型可以实现自动合并拼接（见图10）。

图10 长沟峪煤矿遗址全景三维模型

3.6 生产数字正射影像

三维模型生产之后，再进行正射影像的生产，软件会自动进行生产正射影像，直到正射影像完全生产出来（见图11）。

图11 数字正射影像图

3.7 生产数字地形图

获得三维模型后，将模型数据导入EPS 数据处理平台，可以实现实景三维模型数据立体采集，实时输出二维线划图数据。地物描绘完成后，采集三维模型高程点数据，生成等高线，经图幅整饰后生成大比例地形图[11−12]（见图12、图13）。精度验证采用实测检查点方法验证地形图的精度，采用RTK 测量方式采集地形特征点，经实际验证本项目可以达到1∶500 航空摄影测量法的精度要求。

图12 EPS 立体采集生产地形图

图13 数字地形图

4 成果应用

利用无人机航测技术生产的数据成果有多方面的应用，针对本项目从矿区遗址上有以下几点应用。

4.1 数字正射影像DOM

正射影像能够真实显示出矿山遗址现状，查询浏览位置坐标、距离方位，还能实现面积统计分析，制作出电子地图和专题地图，对于规划设计提供重要的基础数据。

4.2 实景三维模型

实景三维模型空间漫游浏览可以通过大屏幕、互联网等平台展示。模型上可以进行地物空间量算，对长、宽、高进行立体测量，并且可以进行土方分析量算。通过进一步生产大比例尺地形图，对指导规划建设、BIM 应用提供基础三维模型数据（见图14−图16）。

图14 三维模型建筑物空间测量

图15 三维模型面积测量

4.3 3D 立体漫游

通过利用手柄实时控制漫游三维模型、佩戴3D眼镜观看大屏幕三维模型，可以提高三维模型的立体显示效果。本项目采用色分法（色差式3D 显示技术），增强模型的现实感，可使观众体验到“真实”实景效果（见图17）。

图17 3D 立体漫游

4.4 BIM 结合三维平台

实景三维模型通过三维平台与BIM 相结合，在实景三维模型上添加拟建建筑物、道路、景观等模型，实现浏览设计后效果，更能使用户快速地测量、分析和标注三维地理信息数据（见图18）。

图18 与BIM 结合三维平台

5 结论

（1）通过无人机航测倾斜摄影技术能够生产工矿遗址大比例尺地形图，地形图作业成果满足航空摄影测量法的精度要求。

（2）生产的正射影像、三维模型能够满足用户对地理数据现时、快速的实际要求，并且实现了3D 漫游浏览功能，极大地增强了现实感。

（3）进一步探索了三维模型模型与BIM 平台的结合，可在工矿遗址项目后期的规划设计过程中提供基础地理信息数据。

无人机航测倾斜摄影技术在互联网大数据时代的应用会越来越广泛，在BIM 平台、三维可视化地图、智慧城市建设、智慧厂区建设、游戏地图开发等领域将有更多的应用价值。