基于倾斜摄影测量的无居民海岛现状勘定方法

张鹏飞1 王发省2 叶桂河3

（1. 珠海市测绘院， 广东 珠海 519000；2. 中交公路规划设计院有限公司， 北京 100010；3. 中交华南勘察测绘科技有限公司， 广东 广州 510220）

［摘 要］ 为高效获取无居民海岛的基础测绘数据，本文采用免像控无人机倾斜摄影测量的方法对无居民海岛进行测绘。根据实验数据，得出免像控实景三维建模后，检查点平面位置最大误差为17.57 cm，中误差为13.83 cm；高程最大误差为-17.63 cm，中误差为11.54 cm，该结果满足1∶500 比例尺数字线划图的相应精度要求。由此可见，免像控无人机倾斜摄影测量技术可在保证测量精度的前提下，在无居民海岛的基础测绘中发挥重要作用。

［关键词］ 无人机；倾斜摄影测量；免像控；无居民海岛；测绘

0 引言

海岛是保护海洋环境、维护海洋生态平衡的基础平台，对其开展科学合理的保护与管理对于推进海洋强国建设、加快海洋经济发展都具有重要的意义。我国海岛众多，面积大于500 m2的岛屿有超过6 500 个，其中有人居住的岛屿只有450 个左右，大部分是无居民海岛。无居民海岛大部分离大陆较远，面积小，无控制点，海岛植被茂密，山体陡峻，地势复杂，登岛调查困难，传统的实时差分定位（real time kinematic，RTK）测量、全站仪图根测量等方法无法高效获取海岛的基础地理数据［1-3］。

相较于传统航空摄影二维平面观测的局限和实地勘测成本高、工作量大的限制，无人机倾斜摄影测量具有自动化程度高、机动灵活、作业成本低、获取的图像分辨率高、操作简单等特点，通过建立一套机动、高效的业务体系，可以将信息采集、处理及应用技术集成于一体，生产丰富的测绘产品，辅助城市三维地理信息系统建设、三维城市规划及城市信息化建设［4-8］。因此，近年来，在海岛基础测绘中，该技术发挥着越来越重要的作用。例如，吴英超等［9］介绍了基于无人机倾斜摄影测量系统建立海岛三维可视化模型的方法和具体过程，并在辽宁省卫星导航定位连续运行基准站系统（Liaoning continuous operational reference system，LNCORS）的支持下，通过实验数据分析得出，该方法在海岛实景三维模型的构建中具有操作便捷简单、作业方式灵活、效率高和成本低等特点，且模型的精度能满足相关测量规范的要求；黄诚等［10］针对交通不便、植被覆盖茂盛、地形险峻等因素导致无居民海岛开展综合地质调查研究极其困难的问题，基于无人机倾斜摄影测量技术，利用实景三维模型实现了对三亚市蜈支洲岛的全方位观测，提升了对该海岛的宏观认识。但是，对于常规的倾斜摄影测量，需要先在测量范围内进行像控点布设，而无居民海岛由于登岛困难，布设像控点有着诸多不便。因此，本文通过具体的实验数据来分析免像控无人机倾斜摄影测量在无居民海岛现状勘定中的应用。

1 基于倾斜摄影测量的海岛测绘方法

基于倾斜摄影测量的海岛测绘，主要是通过无人机倾斜摄影测量技术对海岛进行实景三维建模，然后基于实景三维模型数据，进行其他测绘成果的生产。倾斜摄影测量的关键技术是多视图像密集匹配、多视图像联合平差、数字表面模型制作和真正射影像纠正［11］。基于该技术的实景三维建模主要分为外业工作以及内业工作。外业工作包括无人机采集倾斜影像、野外控制点实测；内业工作包括数据预处理，根据拍摄的现场测量位置照片进行像片刺点，然后提交空中三角测量，空中三角测量合格后提交三维建模生产。在此过程中，建模软件将完成密集匹配点云、生成不规则三角网、自动纹理映射等步骤，具体流程如图1所示［12］。

图1 无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程图

注：POS（position and orientation system，POS）为定位定姿系统

免像控无人机倾斜摄影测量无需布设像控点，通过搭载的高精度全球导航系统（globalnavigation satellite system，卫星GNSS）差分系统、无人机高精度惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）系统、倾斜相机的同时曝光系统，可获得野外航摄照片的实时坐标信息及无人机的侧滚角、俯仰角和航偏角，从而得到每一张照片的外方位元素，这样无人机在空中便可以将地面相片的控制测量工作完成，实现无像控点恢复航空摄像的成像过程［13-15］。对于海岛的现状勘定，该方法减少了像控点的外业布设与测量工作，甚至在无需登岛的前提下便可完成海岛的实景三维建模工作，使工作效率得到提升。

2 实例验证

2.1 实验区

实验数据来源于珠海市三角岛（无居民海岛）的无人机倾斜航空摄影测量，三角岛全岛岸线长约5 km，面积约为0.87 km2［16］。西北距九洲港约9 n mile，西距澳门（机场码头）约6 n mile，东距桂山岛约6 n mile，东北距香港（中港城码头）约26 n mile、距深圳（蛇口码头）约22 n mile。三角岛概略位置如图2所示。

图2 三角岛概略位置图

2.2 软硬件设备

软硬件设备方面，采用的大疆M300 无人机，内置网络RTK 测量系统，搭载PSDK-AP3410Ri高精度倾斜数字航摄仪（3镜头，0.05 m 地面分辨率，镜头焦距35 mm）。实景三维建模软件采用纹理捕获（ContextCapture）软件。该软件是基于图形运算单元的快速三维场景运算软件，市场应用时间较长、性能稳定、操作简单、纹理匹配效果好、性价比高，其提供的集群建模技术，可解决三维自动化建模时遇到的计算资源匮乏问题，仅需少量人工干预，依靠连续的二维影像就能还原出达到原始影像像素分辨率的实景三维模型 ［17-19］。

2.3 技术流程

技术流程如图3所示。

图3 技术流程图

1）首先，收集测区的相关资料，制订飞行计划，无人机外业航高设计为100 m，航线设计为旁向重叠度70%，航向重叠度85%。

2）然后布设像控点和检查点，并进行无人机倾斜航空摄影测量。由于三角岛是无居民岛，岛上没有控制点，故按照全球定位系统（global positioning system，GPS）E 级控制网的要求，基于珠海市北斗连续运行卫星导航与位置服务系统（Zhu hai Beidou continuous operational reference system，ZHBDCORS），布设了两个基准点（后续可作为像控点检查点），分别为SJ01、SJ02［20］。又采用网络RTK，在全岛范围内进行像控点布设，共计12 个（SJP01-SJP12）。基准点及像控点分布如图4 所示。外业数据采集方面，倾斜航空摄影测量用时一天，空三质量良好，无需加密。

图4 三角岛基准点及像控点分布图

3）最后，在ContextCapture 软件中，分别采用有像控和免像控两种方式进行实景三维建模，通过对比两种建模方式的精度得出结论。

2.4 基础数字测绘成果

实验基于采集的数据，主要对三角岛进行了实景三维模型、数字线划图（digital line graph，DLG）、数字正射影像图（digital orthophoto map，DOM）、数字表面模型（digital surface model，DSM）的生产，成果见图5。

图5 DLG、DOM、DSM示意图

3 分析与讨论

数据处理时，先采用有像控实景三维建模。选用5 个像控点（SJP03、SJP05、SJP07、SJP10、SJP11）进行刺点，然后用剩余的7 个像控点作为检查点，在实景三维模型中选取对应检查点坐标与像控点成果坐标（视为真值）进行对比，结果见表1。

表1 有像控建模后检查点拾取坐标与成果坐标比对表单位：cm

由表1 可以看出，有像控建模检查点平面位置最大误差为5.39 cm，中误差为3.36 cm；高程最大误差为5.81 cm，中误差为4.35 cm。因此，可认为有像控实景三维建模生产的模型精度可靠。

再采用免像控的方法进行实景三维建模。建模后选用12个像控点作为检查点，在实景三维模型中选取对应点坐标与像控点成果坐标（视为真值）进行对比，结果见表2。

表2 免像控建模后检查点拾取坐标与成果坐标比对表单位：cm

由表2 可以看出，免像控建模后检查点平面位置最大误差为17.57 cm，中误差为13.83 cm；高程最大误差为-17.63 cm，中误差为11.54 cm。该比对结果虽然相对于有像控建模误差明显增大，但精度已满足CH/T 9008.1—2010《基础地理信息数字成果1∶500 1∶1 000 1∶2 000 数字线划图》中对1∶500比例尺数字线划图的相应精度要求（以平地为例，平面位置中误差不应大于0.3 m，高程中误差不应大于0.2 m）［21］。因此，采用免像控无人机倾斜摄影测量得到的实景三维模型成果，经精度验证后，可直接用于基础数字测绘产品生产。

4 结束语

本文通过具体的实验数据，验证了免像控无人机倾斜摄影测量的精度。使用该技术，可大大减少上岛的作业工作量，高效生产无居民海岛的实景三维模型、DLG、DOM、DSM 等满足规范精度要求的基础测绘成果，为海岛的开发利用、远期规划等提供基础测绘数据。另外，采用免像控无人机倾斜摄影测量技术对海岛陆域进行测量，采用多波束测深系统、单波束测深系统、机载雷达测深系统等进行海岛水下地形测量，便可在无需登岛的前提下生产无居民海岛的水上水下一体化测绘成果。

引文格式：张鹏飞，王发省，叶桂河. 基于倾斜摄影测量的无居民海岛现状勘定方法［J］. 北京测绘，2024，38（10）：1394-1398.

［作者简介］张鹏飞（1992—），男，山东泰安人，硕士，工程师，从事新型基础测绘、工程测量等工作。

E-mail： zhangpf0208@126.com

［通信作者］ 叶桂河，E-mail：1508397305@qq.com

⬆️联系我们⬆️