无人机倾斜摄影测量在地形测绘与三维建模中的应用

一、引言

地形测绘与三维建模在众多领域如城市规划、国土资源管理、地质勘查、文化遗产保护等起着基础性支撑作用。传统的测绘与建模方法存在作业效率低、成本高、数据精度受限等问题，难以满足当今快速发展的社会需求。无人机倾斜摄影测量技术凭借其高效、灵活、高精度等特点，逐渐成为地形测绘与三维建模的重要手段，为各行业提供了全新的解决方案。

二、无人机倾斜摄影测量原理与系统组成

（一）原理

无人机倾斜摄影测量是在无人机飞行平台上搭载多镜头相机系统，从垂直、倾斜等不同角度同时对目标区域进行拍摄。通过获取目标区域的多角度影像，利用摄影测量学的原理，基于同名像点的匹配关系，解算出地物的三维空间坐标。与传统垂直摄影相比，倾斜摄影能够获取地物的侧面纹理信息，使得构建的三维模型更加真实、直观。

（二）系统组成

1.无人机飞行平台

作为搭载相机的载体，需具备稳定的飞行性能、精准的定位导航功能以及较长的续航能力。常见的有固定翼无人机和多旋翼无人机，固定翼无人机适用于大面积、长距离作业，多旋翼无人机则在灵活性、低空操控性方面表现出色，可根据不同的测绘任务需求进行选择。

2.相机系统

通常包括一个垂直向下的正射相机和多个倾斜相机，镜头参数、分辨率、像幅等指标根据测绘精度要求而定。相机需具备高帧率、高感光度等特性，以保证在不同光照、飞行速度条件下获取清晰影像。

3.定位与导航系统

主要由全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）等组成，用于实时确定无人机的空间位置、姿态信息，确保拍摄影像的位置精度，并为飞行航线规划、自动返航等功能提供支持。

4.数据存储与传输系统

负责将相机采集的影像数据实时存储，并通过无线传输模块将关键飞行参数、影像缩略图等传输回地面控制站，便于操作人员实时监控飞行状态与数据采集情况。

三、在地形测绘中的应用

（一）测区规划与航线设计

根据地形测绘任务要求，确定测区范围，结合无人机性能参数，利用专业软件进行航线规划。合理设置飞行高度、航向重叠度、旁向重叠度等参数，以保证获取的影像具有足够的覆盖度与重叠区域，满足后续三维重建与地形测绘精度要求。例如，在山区地形测绘中，由于地形起伏较大，飞行高度需适当调整，避免因高差导致局部地区影像覆盖不全。

（二）数据采集

无人机按照预设航线自动飞行，同时相机系统按设定频率拍摄影像。在数据采集过程中，需关注天气状况，避免在大风、强光直射、低云等不利天气下作业，以免影响影像质量。采集的影像数据应包含丰富的地物纹理与特征信息，为后续地形地貌解译提供充足素材。

（三）影像处理与地形测绘

1.影像预处理

对采集到的原始影像进行去噪、畸变校正、色彩平衡等处理，提高影像质量， 去除因相机镜头、飞行震动等因素造成的影像瑕疵。

2.空中三角测量

通过匹配同名像点，构建区域网平差模型，解算出每张影像的外方位元素，为后续生成数字表面模型（DSM）与数字高程模型（DEM）奠定基础。利用高精度的控制点对解算结果进行精度验证与优化，确保定位精度满足规范要求。

3.DSM 与 DEM 生成

基于空中三角测量结果，采用密集匹配算法，从多角度影像中获取地物表面的三维点云数据，进一步构建 DSM，反映地物及地形的起伏表面。通过滤波、内插等处理手段，从 DSM 中提取出 DEM，表征地形的高程信息，完成地形测绘任务，得到高精度的地形图产品，可应用于工程规划、土方量计算等领域。

四、在三维建模中的应用

（一）三维模型构建原理

利用无人机倾斜摄影获取的多角度影像，首先进行特征提取与匹配，构建像对间的几何关系。然后通过多视影像密集匹配生成海量的三维点云，这些点云包

含地物的空间位置与表面纹理信息。在此基础上，采用三角网构建算法，将点云数据网格化，形成不规则三角网（TIN）模型，进一步赋予三角网纹理信息，最终构建出具有真实感的三维模型。

（二）模型构建流程

1.数据准备

整理采集的倾斜影像数据，确保数据完整性与质量，同时收集测区的控制点资料，用于模型精度控制。

2.自动建模

借助专业的三维建模软件，如 ContextCapture、Pix4Dmapper 等，导入处理后的影像数据，软件按照内置算法自动完成点云生成、三角网构建、纹理映射等一系列建模步骤，生成初始三维模型。

3.模型优化

对自动生成的模型进行人工检查与优化，修复模型中的漏洞、错误纹理、几何变形等问题，提高模型的精细度与准确性。例如，对于建筑物模型，需确保墙面平整、门窗位置正确，使其更符合实际地物特征。

4.模型应用

构建完成的三维模型可用于多种场景，如城市景观可视化展示，为城市规划提供直观的决策依据；在文化遗产保护领域，对古建筑进行三维建模，记录其精细结构与纹理，为修缮、研究提供数字化资料。

五、无人机倾斜摄影测量的优势

（一）高效快速

相较于传统人工测绘与航空摄影测量，无人机能够快速抵达测区，灵活规划航线，短时间内采集大面积、高分辨率的影像数据。在一些紧急任务如自然灾害后的地形测绘中，能够迅速获取受灾区域地形地貌变化情况，为救援决策提供及时支持。

（二）高分辨率与高精度

无人机可低空飞行，接近目标地物，配合高分辨率相机，能够获取厘米级甚至毫米级的影像细节，从而保证地形测绘与三维建模的精度。在小区域精细测绘项目中，如古村落测绘，其高精度优势得以充分彰显，精准还原地物特征。

（三）全方位数据获取

倾斜摄影从多个角度采集影像，不仅能获取地物顶部信息，还涵盖侧面纹理，使得构建的三维模型立体感强、真实度高，更完整地反映地物实际形态，满足多样化应用需求。

（四）成本效益

无人机系统采购、运营成本相对较低，无需大型航空飞行器租赁、专业机场保障等高额费用，且人员培训周期较短，降低了人力成本，对于中小规模测绘项目具有较高的性价比。

六、面临的挑战与应对措施

（一）数据质量问题

1.影像模糊

受飞行震动、光线变化、相机对焦不准等因素影响，影像可能出现模糊现象。应对措施包括优化无人机云台减震设计，采用智能对焦相机系统，选择合适的拍摄时段（如上午 10 点至下午 2 点，光线较为均匀柔和）。

2.影像遮挡

在复杂城市环境或山区，建筑物、树木等遮挡严重，导致部分地物信息缺失。可通过多架次、多角度补拍，结合空地一体化的数据采集策略，利用地面近景摄影补充遮挡区域信息。

七、结论

无人机倾斜摄影测量技术在地形测绘与三维建模领域已取得显著成效，凭借其高效、高精度、全方位数据获取等优势，广泛应用于众多行业，为社会发展提供有力技术支撑。尽管目前仍面临数据质量、精度控制、法规限制等挑战，但随着技术进步与配套政策完善，未来该技术将朝着智能化、多源融合、实时化方向蓬勃发展，持续推动地形测绘与三维建模技术革新，为各领域数字化转型注入新动力。

参考文献：

[1]黄健，何敏，廖栩等.无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图更新中的应用[J].测绘通报，2020（06）：121-124+135.

[2]邓非，柯涛，张帆等.无人机倾斜摄影测量的城市地形测绘应用探讨[J].测绘 地理信息，2018，43（05）：75-77+82.