來(lái)源：《測(cè)繪通報(bào)》2018年第2期

作者：徐思奇，黃先鋒，張帆，雍小龍，夏志敏，王濤

摘要：作為國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年新興的高新技術(shù)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已應(yīng)用于城市快速三維建模中。 由于目前常用的大比例尺地形圖測(cè)繪方法不能同時(shí)滿足快速成圖的時(shí)間和成本要求，本文提出了一種利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖方法，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)靈活、成本低、高效的優(yōu)點(diǎn)，傾斜影像可自動(dòng)生成三維模型和點(diǎn)云，簡(jiǎn)化了后續(xù)繪圖工作。 評(píng)定試驗(yàn)得到的岢嵐縣大比例尺地形圖可知，成果平面精度達(dá)到0.140 m，高程精度達(dá)到0.150 m，符合大比例尺地形圖精度要求，適合快速測(cè)繪小區(qū)域大比例尺地形圖。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量技術(shù);大比例尺地形圖;實(shí)景三維模型;點(diǎn)云;繪圖工藝

大比例尺地形圖含有詳細(xì)的地形要素和地理信息，是城市規(guī)劃、市政公用事業(yè)、土地管理必不可少的基礎(chǔ)資料[1-2]。目前常用的大比例尺地形圖測(cè)繪方法均面臨著工作效率低，成圖周期長(zhǎng)，不能快速測(cè)圖的緊迫問(wèn)題[3]。 如航空攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪小面積地形花費(fèi)的人力物力成本高，精度上不能滿足1∶500地形圖的測(cè)量精度[4];GPS-RTK 存在衛(wèi)星限制、地物干擾、缺少多余觀測(cè)、高程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題[5-7];遙感影像分米級(jí)的分辨率不能測(cè)繪大比例尺地形圖;三維激光掃描測(cè)圖人工勾繪過(guò)程有局部地形精度損失且設(shè)備價(jià)格高技術(shù)難普及。

作為國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)(oblique photography technique)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，近年來(lái)在信息化測(cè)繪領(lǐng)域進(jìn)行了諸多探索[8]。 該技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)搭載多臺(tái)傳感器從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜等不同角度采集影像.獲得具有較高分辨率、較大視場(chǎng)角、更詳細(xì)的地物信息數(shù)據(jù)[9-11]。在拍攝相片的同時(shí).機(jī)載傳感器記錄下航高、航速、航向和旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，嵌入地理信息、影像信息，使影像數(shù)據(jù)真實(shí)地反映地物情況[12]。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)成本低、靈活、拍攝范圍廣、飛行速度慢等一系列優(yōu)點(diǎn)[13-14]，人工后處理數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，工作量減少，測(cè)圖周期短，成圖速度快，適合地形條件復(fù)雜的小面積地域航測(cè)。文獻(xiàn)[15]采用固定翼無(wú)人機(jī)低空飛行采集影像，經(jīng)過(guò)像片控制測(cè)量、空三加密制作高分辨率DOM 并由此采集特征點(diǎn)線，但該文沒(méi)有進(jìn)行繪制、評(píng)定地形圖工作，忽略了人工繪圖過(guò)程中的誤差。 文獻(xiàn)[16]用無(wú)人機(jī)采集影像，導(dǎo)入DPGrid 系統(tǒng)空三，成果導(dǎo)入VirtuoZo NT 軟件釆集地形要素。由于無(wú)人機(jī)航攝外方位元素誤差較大、圖像畸變較大等問(wèn)題，大比例尺地形圖的高程精度無(wú)法滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

本文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)圖方法難以滿足快速高效測(cè)繪大比例尺地形圖的實(shí)際需求，提出基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖方法，研究了該方法具體的生產(chǎn)流程。 與其他無(wú)人機(jī)測(cè)圖手段不同，該方法通過(guò)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)碼影像(包括垂直影像和傾斜影像)自動(dòng)生成地物點(diǎn)云和實(shí)景三維模型，由此識(shí)別地物輪廓范圍和類別信息完成采集工作。 為了驗(yàn)證本文所提方法的可用性，通過(guò)岢嵐縣數(shù)據(jù)采集與處理試驗(yàn)對(duì)本方法進(jìn)行驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本文方法繪制的大比例尺地形圖精度滿足規(guī)范要求，成圖效率大大提高。

1　傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖工藝

傳統(tǒng)大比例尺地形圖測(cè)繪工藝可概括為“三內(nèi)二外”，即內(nèi)業(yè)收集資料，根據(jù)測(cè)區(qū)概況設(shè)計(jì)技術(shù)方案;外業(yè)采集數(shù)據(jù);繪制草圖;內(nèi)業(yè)分類矢量化地物，包括配準(zhǔn)、空三、格式轉(zhuǎn)換等;外業(yè)調(diào)繪，反饋位置、類別信息;內(nèi)業(yè)分幅整飾，存儲(chǔ)成果。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖工藝與傳統(tǒng)測(cè)圖方法相似，但流程更加簡(jiǎn)化，包括以下工藝：

(1) 外業(yè)作業(yè)前，首先要收集測(cè)區(qū)資料，包括控制點(diǎn)成果、坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)參數(shù)、已有的地形圖成果與地名資料等，制定無(wú)人機(jī)航飛技術(shù)方案并申請(qǐng)空域，明確無(wú)人機(jī)搭載的傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行航高航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔等問(wèn)題。

( 2) 外業(yè)工作人員按逐航帶或測(cè)區(qū)面積布設(shè)像控點(diǎn)，然后依照技術(shù)方案的安排，用無(wú)人機(jī)搭載多傳感器從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜等不同角度采集地形數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)靈活高效特點(diǎn)，工作時(shí)長(zhǎng)以小時(shí)為單位，不同以往大比例尺地形圖外業(yè)測(cè)繪按天數(shù)計(jì)算，縮短項(xiàng)目周期，測(cè)繪人員只需無(wú)人機(jī)飛手和少量作業(yè)員，與傳統(tǒng)測(cè)圖方法按測(cè)區(qū)面積配備一定比例的外業(yè)人員相比，人員數(shù)量減少，節(jié)約項(xiàng)目成本。

(3) 內(nèi)業(yè)空三加密、生成點(diǎn)云、建立實(shí)景三維模型等操作均可待數(shù)碼傾斜影像導(dǎo)入軟件后由軟件自動(dòng)解算完成，通過(guò)多視影像聯(lián)合平差技術(shù)進(jìn)行傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配技術(shù)得到高精度高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以采用聯(lián)機(jī)運(yùn)算縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間。 繪制地圖過(guò)程需作業(yè)員手動(dòng)完成，以三維模型和點(diǎn)云作參照，速度大大提升。

(4) 通過(guò)實(shí)景三維模型可清晰辨別地物位置和類別信息，外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)工作量減少，繪圖中遇到疑問(wèn)需記錄下來(lái)，交給外業(yè)工作人員核查。

(5) 完成大比例尺地形圖分幅整飾等工作后，提交質(zhì)檢部門檢查成果的數(shù)學(xué)精度、屬性精度、地理精度、附件質(zhì)量等是否符合大比例尺地形圖規(guī)范要求，驗(yàn)收合格才能保存使用，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖流程如圖1 所示。

圖1　傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖流程

2　試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1　試驗(yàn)概況

試驗(yàn)測(cè)區(qū)位于山西省忻州市岢嵐縣，測(cè)區(qū)面積約1.080 km2。 岢嵐縣位于山西省忻州西南部，地勢(shì)東南高，西北低，境內(nèi)以山地和丘陵為主。全縣山地1140 km2，丘陵面積799 km2，平原45 km2。 為保護(hù)縣城古城墻，岢嵐縣政府要求快速測(cè)繪城區(qū)1 ∶ 500地形圖， 測(cè)區(qū)如圖2 所示的大多邊形區(qū)域，古城墻位于大區(qū)域中心小矩形區(qū)域。

圖2　基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速測(cè)繪1∶500地形圖試驗(yàn)測(cè)區(qū)位置

試驗(yàn)使用六旋翼航測(cè)無(wú)人機(jī)搭載傾斜雙相機(jī)，利用兩臺(tái)全畫幅相機(jī)依次前下后擺動(dòng)60°，一個(gè)周期采集6 張不同角度的地物航空影像，達(dá)到6 臺(tái)相機(jī)同時(shí)工作的效果，原理如圖3 所示。

圖3　傾斜雙相機(jī)周期擺動(dòng)設(shè)計(jì)工作原理

無(wú)人機(jī)飛行5 架次，設(shè)計(jì)航高100 m，航向重疊率80%以上，旁向重疊率60%以上，采集到真彩色航空像片9236 張，POS 數(shù)據(jù)5688 個(gè)，地面分辨率為1.95 cm，飛行信息見(jiàn)表1。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)自身特點(diǎn)決定影像處理方式與傳統(tǒng)航測(cè)方法不同，本文采用Smart3D Capture 軟件完成空三、實(shí)景三維模型建立、點(diǎn)云生成，導(dǎo)入Geoway 3D Mapping 軟件完成地理要素矢量化、地形圖分幅整飾等，試驗(yàn)技術(shù)流程如圖4所示。

圖4　傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖試驗(yàn)技術(shù)流程

試驗(yàn)第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是將POS 檢校解算后的傾斜像片導(dǎo)入Smart3D Capture 軟件中進(jìn)行空三加密、模型快速化一體生產(chǎn)、模型數(shù)據(jù)局部修整及少量人工干預(yù)處理，聯(lián)機(jī)運(yùn)算一周由9236 張1 km2 的真彩色航空像片生成點(diǎn)云和OSG 格式的實(shí)景三維模型，如圖5 所示。

圖5　利用Smart3D Capture 軟件生成的試驗(yàn)測(cè)區(qū)實(shí)景真三維場(chǎng)景圖　　

試驗(yàn)第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是將實(shí)景三維模型和點(diǎn)云導(dǎo)入Geoway 3DMapping 軟件中，按照《國(guó)家基本比例尺地圖圖式第1 部分:1 ∶ 500、1 ∶ 1000、1 ∶ 2000地形圖圖式GB 20257.1—2007》規(guī)范中1 ∶ 500 地形圖要求，參照點(diǎn)云和三維模型完成全要素矢量化采集，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)見(jiàn)表2。

測(cè)區(qū)在縣城中心，地物類主要是房屋、道路和植被，沒(méi)有復(fù)雜地形。 1 km2 的測(cè)區(qū)由5 名采編員耗時(shí)5 d 手動(dòng)采集整飾，得到6.08 MB 的DWG 文件，成果如圖6 所示。

圖6　Geoway 3DMapping 軟件矢量化采集成果--數(shù)字線劃圖

整理完成的數(shù)字線劃圖，匯集需補(bǔ)測(cè)的問(wèn)題交給外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)，最后修改整飾地形圖，完成測(cè)圖工作。　　

2.2　大比例尺地形圖精度評(píng)定完成地形圖測(cè)繪后，首先需評(píng)定1 ∶ 500 地形圖成果的數(shù)學(xué)精度。 根據(jù)工程攝影測(cè)量規(guī)范，平面點(diǎn)位精度和高程注記點(diǎn)精度要求見(jiàn)表3。

選取同樣技術(shù)流程測(cè)繪的1 ∶ 1000 岢嵐?jié)竦毓珗@地圖中均勻分布的20 個(gè)檢查點(diǎn)評(píng)定數(shù)學(xué)精度，基本等高為1 m，平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，誤差統(tǒng)計(jì)圖如圖7 所示。

圖7　地物檢查點(diǎn)平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)圖

平面中誤差在圖上距離為0.28 mm，小于圖上0.6 mm(一般地區(qū)平坦地);高程中誤差小于0.333 m(1/3 基本等高距)。圖7 中，高程中誤差相較平面中誤差波動(dòng)大，說(shuō)明該方法高程精度比平面精度低，但高程中誤差0.150 m 滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)有效證明了該方法可行。　　

大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度評(píng)定完成后，需要進(jìn)行屬性精度檢查、地理精度檢查、整飾質(zhì)量檢查、附件質(zhì)量檢查等，最終提交成果進(jìn)行大比例尺地形圖質(zhì)量評(píng)定。　

通過(guò)檢查數(shù)據(jù)可知，本文利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪的大比例尺地形圖符合工程攝影測(cè)量規(guī)范中對(duì)基本精度的要求，保證了成果數(shù)學(xué)精度ꎬ綜合該方法省時(shí)高效的特點(diǎn)，適合小區(qū)域快速測(cè)繪大比例尺地形圖。　

3　總　結(jié)

本文提出利用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)拍攝測(cè)區(qū)傾斜影像生成實(shí)景三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且由此測(cè)繪大比例尺地形圖方法，試驗(yàn)證明成果精度達(dá)到了大比例尺地形圖質(zhì)量要求。 結(jié)合大比例尺地形圖測(cè)繪實(shí)際，與其他傳統(tǒng)測(cè)圖技術(shù)相比，成圖時(shí)間減少一半以上，人員減少4/5。 特別是外業(yè)采集數(shù)據(jù)階段，傳統(tǒng)測(cè)圖技術(shù)需要根據(jù)測(cè)區(qū)面積大小配備相應(yīng)數(shù)量的測(cè)圖人員，采用無(wú)人機(jī)測(cè)圖只需3~4 人，降低了測(cè)圖成本，特別適用于小區(qū)域快速測(cè)繪大比例尺地形圖。

目前，該方法還存在無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)受天氣影響較大、無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定需搭載IMU 裝置保證高程精度、矢量化采集過(guò)程非自動(dòng)化等問(wèn)題，未來(lái)相關(guān)硬件軟件難題的深入研究將為推廣傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖提供條件。

參考文獻(xiàn)：略