无人机实景三维模型在大比例尺地形图测绘中的应用研究

摘要：在工程建设和城市规划以及土地管理等众多领域，大比例尺地形图是重要的基础资料，其测绘精度和效率直接影响到项目的实施和决策。本文研究无人机实景三维模型在大比例尺地形图测绘中的应用，旨在探索其可行性与有效性，对无人机系统和实景三维模型构建原理以及大比例尺地形图测绘规范的研究，结合数据采集处理和分析等环节，阐述了基于无人机实景三维模型进行大比例尺地形图测绘的具体方法。无人机实景三维模型在大比例尺地形图测绘中具有高效准确以及成本低等优势，能够为工程建设以及城市规划等领域提供可靠的地形数据支持。

关键词：云计算技术；计算机网络安全存储；数据加密；访问控制

引言：

传统的大比例尺地形图测绘方法存在外业工作量大周期长以及成本高等问题，难以满足快速发展的社会需求，伴随无人机技术和计算机视觉技术的不断进步，无人机实景三维模型技术为大比例尺地形图测绘提供了新的解决方案。无人机能够快速灵活地获取测区的影像数据，利用构建实景三维模型可以直观准确地反映地形地貌和地物信息。因此，研究无人机实景三维模型在大比例尺地形图测绘中的应用，对于提高测绘效率和精度降低测绘成本具有重要的现实意义。

一、无人机实景三维模型相关理论与技术基础

（一）无人机系统概述

无人机系统常见类型有固定翼无人机和多旋翼无人机等，固定翼无人机因飞行速度快以及续航时间长适合大面积地形测绘，可在较短时间内覆盖较大范围区域并高效获取影像数据，多旋翼无人机凭借灵活性高和可垂直起降的优势能在复杂地形或狭小空间作业，对城市建筑密集区或山区的测绘工作尤为适用。选择无人机时需依据测绘任务的具体要求，综合考量飞行性能和载荷能力以及抗风能力等技术参数，下图1就是四旋翼无人机示意图。

图1：四旋翼无人机示意图

（二）实景三维模型构建原理

实景三维模型构建原理是实现无人机测绘成果可视化和数字化的核心，其构建过程主要基于计算机视觉和摄影测量原理，利用无人机搭载的相机对测区进行多角度多方位影像采集，获取大量有重叠度的影像数据后运用影像匹配算法找出不同影像间的同名点建立影像间的几何关系，再基于这些几何关系进行三维重建，利用三角测量等方法计算出每个影像点在三维空间中的坐标，构建出测区的三维点云模型，最后对三维点云模型进行处理和优化。

（三）大比例尺地形图测绘规范与要求

大比例尺地形图测绘存在严格规范和要求，大比例尺地形图通常指比例尺大于1:5000的地形图，其精度要求较高能详细反映地形和地物的特征及位置关系，测绘过程中需遵循相关国家标准和行业规范，针对地形要素的表示要准确区分不同类型的地物并采用统一的符号和注记来表示。等高线的绘制要依据地形的起伏情况按照规定的等高距进行准确反映地形的高程变化，地形图的成图质量也有严格的检验标准。

二、无人机实景三维模型在大比例尺地形图测绘中的数据采集

（一）测区规划与航线设计

测区规划需充分结合测区的地形地貌和地物分布以及测绘的具体要求，针对地形复杂且高差较大的山区要详细了解山脉走向以及山谷分布等情况，合理确定采集范围和重点区域，而针对城市区域则需关注建筑物的分布密度高度以及道路网络等，并且在规划过程中要依据地形图测绘的比例尺和精度要求明确测区的边界和范围，以大比例尺地形图为例，因其通常要求更详细的地物信息，所以测区范围的划定要更加精准不能遗漏重要的地物和地形特征。

航线设计要依据测区规划的结果进行科学安排，先要确定无人机的飞行高度，由于飞行高度直接影响影像的分辨率和覆盖范围，鉴于大比例尺地形图测绘需要较高的分辨率，所以飞行高度既不宜过高也不能过低，否则会影响飞行安全和数据采集效率。规划好航线的走向和间距，航线的走向应尽量与测区的主要地形特征或地物分布方向一致，确保能够全面准确地采集到所需的数据，航线间距要根据相机的视场角和重叠度要求来确定，为保证后续三维模型构建的精度，影像之间需要有一定的重叠度，通常航向重叠度在60% - 80%之间，旁向重叠度在30% - 60%之间。

（二）数据采集设备与参数设置

在选择相机时要综合考虑相机的分辨率和感光度以及色彩还原度等参数，高分辨率的相机能够采集到更清晰更详细的影像，同时相机的感光度和色彩还原度也会影响影像的质量和后续处理的效果。在参数设置上要根据测区的光照条件以及地形特点等因素进行调整，以光照较强的情况为例，要适当降低相机的曝光时间避免影像过曝，而在光照较弱的环境中则要提高感光度或延长曝光时间。还要设置好相机的焦距以及光圈等参数确保影像的清晰度和景深符合要求，对于无人机的飞行参数也要进行合理设置，保证相机能够稳定地采集到高质量的影像数据。

（三）数据采集过程与质量控制

数据采集过程需严格遵循既定流程，起飞前操作人员要全面检查无人机及搭载的相机等设备确保设备性能良好以及电量充足且各项参数设置符合本次测绘任务要求，同时要实时监测测区的天气状况选择合适的气象条件开展作业，避免在大风或暴雨等恶劣天气下飞行。飞行过程中无人机需按照预先设计的航线稳定飞行，操作人员需实时监控无人机的飞行状态参数，包括高度、速度、姿态等关键数据，确保飞行器严格遵循预设航线和飞行指令执行任务，相机要按照设定的时间间隔或触发条件进行影像拍摄，保证采集到的影像具有足够的重叠度，为后续三维模型构建提供充足的数据。数据采集完成后要及时对采集到的数据进行初步检查，查看影像是否清晰有无漏拍或模糊区域以及飞行轨迹数据是否完整准确，若发现问题要及时分析原因，必要时进行补测。

在数据采集前要对使用的设备进行校准和精度检测，保证设备的测量精度符合要求，针对相机要进行镜头畸变校正等操作提高影像的几何精度，在数据采集过程中要采用多种手段进行质量控制，以在测区内合理布置地面控制点为例，根据测量控制点的精确坐标对采集到的影像数据进行地理定位和几何纠正提高数据的绝对精度，同时利用软件对采集到的影像进行实时处理和分析，检查影像的清晰度以及对比度等质量指标及时发现并解决问题。

三、基于无人机实景三维模型的大比例尺地形图测绘方法

（一）地形要素提取

在获取高质量的无人机实景三维模型之后需从中准确提取各类地形要素，针对自然地形要素，针对山脉、山谷、河流等地形要素，可通过整合数字高程模型（DEM）与多光谱遥感影像，构建高精度三维地形模型，借助特定的算法进行识别和提取，以山脉为例，可根据高程变化识别其走向和坡度，依据水流方向和地形低洼处确定河流的位置和走向。对于人工地物要素如建筑物、道路和桥梁等可凭借模型的几何特征和纹理细节进行区分和提取，分析建筑物的轮廓高度和形状准确识别不同类型的建筑，根据道路的线性特征和纹理提取道路网络，并且在提取过程中要结合地理信息系统（GIS）技术对提取的地形要素进行分类和编码，以利于后续的处理和分析。

（二）地形图绘制与编辑

绘制地形图时要遵循相关的测绘规范和标准，选择合适的比例尺和投影方式，依据提取的地形要素运用专业的绘图软件，按照规定的符号和注记进行绘制，在等高线绘制方面要依据地形的起伏情况，按照一定的等高距进行插值计算，保证等高线能准确反映地形的高程变化。绘制地物时要注重地物的位置形状和大小的准确，采用统一的符号和颜色进行表示，绘制完成后还需进行编辑和修改检查地形图的完整准确修正存在的错误和不合理之处，同时添加必要的图名图例以及比例尺等信息让地形图更加规范和清晰。

（三）测绘成果质量检验

先对地形要素提取的准确性进行检验查看提取的地形要素是否完整准确，与实际地形是否相符，可通过实地测量和对比来验证地形要素的位置和属性信息，对地形图绘制的质量进行检验检查地形图的符号使用是否规范，注记是否清晰以及等高线的绘制是否准确等，还可采用精度评估的方法计算地形图的平面精度和高程精度，评估其是否满足测绘要求。对于发现的质量问题要及时进行整改和处理，保证测绘成果符合相关标准和规范为后续的工程建设和决策提供可靠依据。

四、结束语

无人机实景三维模型技术在大比例尺地形图测绘中具有显著优势能够高效地完成数据采集任务，减少外业工作量和测绘周期提高测绘效率，基于无人机实景三维模型提取的地形要素准确可靠，绘制的地形图符合相关规范和标准能够满足工程建设和城市规划等领域对大比例尺地形图的精度要求。在应用过程中要注重测区规划和航线设计以及数据采集设备与参数设置等环节的质量控制，保证数据的准确完整。

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