宋增巡

（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000）

0.引言

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是城市乃至國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源，而地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)實性是衡量其使用價值的標準之一?！敖?jīng)濟發(fā)展測繪先行”這一口號也充分證明了基礎(chǔ)測繪在城市經(jīng)濟發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。近幾年隨著各大城市城鎮(zhèn)化率加快推進，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與日俱增，城市擴展速度隨之日益加快，城市變化日新月異。這就給地形圖保持現(xiàn)實性帶來了困難，直接導(dǎo)致縮短地形圖更新周期的必然結(jié)果；同時加快城市地形圖更新周期也是數(shù)字城市與智慧城市建設(shè)必須面對的一個問題，但是常規(guī)外業(yè)測繪已經(jīng)不能滿足大比例尺地形圖更新對速度與質(zhì)量的雙要求。近幾年來無人機發(fā)展速度迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域也深入到各行各業(yè)，如，大疆無人機應(yīng)用于土方計算，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)可實現(xiàn)間隔高程采集，得到的土方量與傳統(tǒng)RTK測得的土方量結(jié)果吻合較好[1]；無人機三維測圖獲取建筑物立面，實現(xiàn)立面高精度展示，為城市規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)[2]；無人機技術(shù)實現(xiàn)高壓電線巡視，提高了工作效率，降低了人工巡檢的危險性[3]。

本文在吸取前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，嘗試利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，獲取所需更新地形圖區(qū)域的三維立體影像，并在此基礎(chǔ)之上利用某商業(yè)軟件實現(xiàn)裸眼三維測繪。克服了傳統(tǒng)正射影像矢量化地圖時屋檐無法改正、隱蔽點高程無法采集等缺點。最后，外業(yè)調(diào)繪地形圖將遮擋嚴密地方數(shù)據(jù)野外采集補齊、地貌屬性調(diào)繪完善最終形成要素齊全地形圖。利用傳統(tǒng)外業(yè)RTK—全站儀模式驗證三維測圖的精度，其結(jié)果完全滿足1∶500比例尺要求。本文通過無人機技術(shù)建立起實時更新大比例尺地形圖的聯(lián)動機制，為城市建設(shè)快速發(fā)展保駕護航。

1.傳統(tǒng)1∶500比例尺地形圖更新模式的弊端

1.1 地圖要素變化發(fā)現(xiàn)困難

地形圖更新之前必須精準獲取變化區(qū)域及變化要素，但目前對于各城市來說，準確獲取地形圖變化區(qū)域主要還是以外業(yè)調(diào)繪為主，據(jù)實際工作中不完全統(tǒng)計，外業(yè)調(diào)繪巡視約占工作總量的70%[4]。并且隨著一線城市、二線城市眾多經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的成立，直接導(dǎo)致這些地塊地貌發(fā)生變化速度加快。同時這幾年城鎮(zhèn)化速度加快，樓市始終處于火熱狀態(tài)。拔地而起的高樓一天之間就會有變化，城市內(nèi)興修高架快速路、綠化種植等民生工程每天都在進行。所以完全依靠野外調(diào)繪發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域時效性很差。

1.2 勞動強度大、作業(yè)效率低

傳統(tǒng)的地形圖更新是一項勞動強度大，作業(yè)效率低的任務(wù)，依靠傳統(tǒng)測量儀器完成外業(yè)測繪任務(wù)，工作效率低[5-8]。例如某二線城市測繪院負責五環(huán)以內(nèi)12000km2的測圖任務(wù)，以現(xiàn)有的外業(yè)科室為主干，該部門8個班組共計16人承擔該項任務(wù)。以每人每天調(diào)繪外加實測3.2幅圖為例，需要工作日249d。一般城市大比例尺地形圖更新周期為一年。以這樣的速度很難做到一年一更新的要求。雖然利用CORS加全站儀常規(guī)方法是獲取大比例尺地形圖要素最有效的方法，但該方法存在工作量巨大、工作效率低、浪費單位人力資源與物力的缺點。

2.無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于1∶500比例尺地形圖更新主要技術(shù)路線

在地形圖更新時，一般定制以下流程：研究確定策略、收集和分析已有資料、確定變化區(qū)域等幾個關(guān)鍵步驟技術(shù)路線。在利用無人機進行傾斜攝影測量主要過程包括傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，像控點外業(yè)選點與實測，空中三角測量加密及優(yōu)化，數(shù)字表面模型生成，紋理貼合與三維模型構(gòu)建，裸眼三維測圖，外業(yè)巡視、調(diào)繪與補測,主要流程（如圖1所示）:

圖1 傾斜攝影測量主要技術(shù)路線圖

2.1 傾斜攝影外業(yè)采集

選擇本區(qū)域有利的氣象條件開展飛行工作，確保影像能清晰顯示地貌與地形。風速一般不大于5.6m/s，飛行時刻在中午前后左右最為適宜，這樣會減弱高聳建筑物、高大植被陰影對地面要素的遮擋。飛機機載POS數(shù)據(jù)采樣率不大于1s；飛行高度根據(jù)飛行區(qū)域設(shè)置，一般選擇該區(qū)域最高點高程值與最低高程值均值為航高。飛行速度一般設(shè)置為7m/s，這樣有利于飛機在飛行過程中不會因為飛行速度過快而造成的飛機失穩(wěn)情況發(fā)生。航向重疊度一般設(shè)置為60%到65%，旁向重疊度設(shè)置為30%到40%，當測區(qū)建筑較密集時?？蛇m當增大航向重疊度與旁向重疊度，以減弱因航向重疊度不足而造成的建筑物幾何結(jié)構(gòu)粘連。

2.2 像控點測量

測量像控點是為了影像在空三加密后將相片坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為像控點坐標系統(tǒng)的工作，理論上像控點越密集，空三解算精度越高。但無疑會增加工作強度與增加物力、財力。一般像控點實測采用城市CORS系統(tǒng)，利用RTK野外選擇在影像判別清晰的地物角位置，像控點分布以滿足影像空三解算為前提，一般在測區(qū)周邊及中心位置選擇適合的數(shù)量像控點，有條件單位可選擇強制對中像控點。像控點選擇一般滿足以下條件：

（1）像控點需選擇較為尖銳的標志物，以提高內(nèi)業(yè)精度；

（2）像控點標志物尺寸應(yīng)不大于70cm，且明確指出具體點位是標志物哪一部分；

（3）像控點盡量選擇平坦地區(qū)，避免樹下、屋角等容易被遮擋的地方。

2.3 空三加密與三維模型重建

相較于傳統(tǒng)航天航空正射影像空三解算，傾斜攝影空三解算自動化程度、人工干預(yù)少、解算精度高、速度快，而且飛機自帶POS系統(tǒng)，實時提供相片的外方位元素。利用與無人機配套的軟件進行空三解算、空三優(yōu)化及模型重建。

2.4 三維測圖

目前國內(nèi)許多測繪軟件公司開發(fā)出裸眼三維測圖軟件，其具備直接采集墻角或者墻面獲取房屋圖形信息；高程通過面選或者線選可以生成符合1∶500比例尺地形圖要求的間隔，相較于傳統(tǒng)數(shù)字野外測圖方法，該技術(shù)可實現(xiàn)全視覺無死角采集，可對同一地方進行多視角重復(fù)采集，極大地提高了效率，減少了外業(yè)工作時間。

3.實例驗證

3.1 項目實施情況

某省會城市負責接管某地級市下屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該省會城市為掌握該鎮(zhèn)基本情況，委托本市測繪院進行該鎮(zhèn)區(qū)域1∶500地形圖更新任務(wù)，該區(qū)域10.8km2，地勢較平坦，丘陵較少，多以城鎮(zhèn)房屋為主，以農(nóng)村耕地、溫室大棚為輔，正值春季地面無積雪，耕地中無經(jīng)濟作物為傾斜攝影航飛提供有利條件。測區(qū)范圍影像圖（如圖2所示）：

圖2 測區(qū)范圍

本次飛行任務(wù)選用的為大疆無人機，該無人機是一臺四旋翼小型無人機，該機具備厘米級定位精度并且具備穩(wěn)定平衡系統(tǒng)，飛機最大續(xù)航為30min，搭載2000萬有效像素的專業(yè)攝影裝備，通過軟件控制可實現(xiàn)五方向連續(xù)航拍；本次任務(wù)航飛高度選擇110m，地面分辨率3.0cm,航向重疊度80%，旁向重疊度為70%。內(nèi)業(yè)處理三維模型構(gòu)建選用大疆公司研發(fā)的某軟件所生成三維立體模型（如圖3所示）:

圖3 三維模型

內(nèi)業(yè)采集軟件采用清華三維研發(fā)的EPS2016立體測圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將立體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用osgb格式數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換至DSM格式三維數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)不佩戴立體眼鏡實現(xiàn)360°實景信息采集。并且實現(xiàn)多窗口二維、三維同步聯(lián)動的功能，并支持多視角采集。該系統(tǒng)還可實現(xiàn)模型切割功能，方便道路采集；可實現(xiàn)高精度采集房屋等地物要素和相應(yīng)屬性錄入；同時支持對生成圖形進行合法性數(shù)據(jù)檢查，包括屬性檢查、自相交檢查、邏輯檢查等等。通過本文提供的方法相比于傳統(tǒng)測量方法減少約為三分之二的時間，并且減少了大量的人力與物力。三維采集效果（如圖4所示）：

圖4 任意視角圖

3.2 立體測圖遇到的問題及解決方法

（1）矢量數(shù)據(jù)加載模型中經(jīng)常發(fā)生模型缺失情況，此時卸載模型并重新添加傾斜模型便可解決問題，并且添加矢量數(shù)據(jù)可節(jié)省加載時間；

（2）由于航飛時，某個方向出現(xiàn)攝像漏洞，導(dǎo)致個別建筑物出現(xiàn)模型粘連情況，此時采集房屋時會出現(xiàn)無法捕捉房角與房面點情況；可采用模型切割功能，將建筑物以某一高度進行水平切割，會將房面以某一厚度展現(xiàn)出來，此時再以面相交會出房屋。繪制植被下方道路時，特別是高大樹木遮擋的道路，也可以采用該功能。如果房屋被遮擋嚴重可通過調(diào)整視角與方向采集1-2個房角點，后期可通過外業(yè)補測補齊圖形；

（3）大面積耕地、道路需要生成高程點時，如采用點選方式工作效率低，但選擇面生成會遇到高程采集在車和樹木上面；此時可先用面生成相應(yīng)隔網(wǎng)間隔的高程點，在通過生成等高線來凸顯高程異常值點，直接刪除不合理的高程點即可。

3.3 精度分析與可行性驗證

為驗證本測區(qū)1∶500比例尺成圖精度，依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T24356-2009）規(guī)定隨機抽取圖幅總數(shù)的10%外業(yè)打點檢查，外業(yè)采用Leica2秒級全站儀測量同名點坐標，利用網(wǎng)絡(luò)RTK采集地面高程，每幅圖平面點50個，高程點30-50個，間距30-50個；對檢查平面和高程中誤差計算精度統(tǒng)計采用如下公式所示，部分統(tǒng)計結(jié)果（如表1、表2所示）：

表1 高程精度統(tǒng)計成果表 單位：m

表2 平面點精度統(tǒng)計成果表 單位：m

式中，M為打點統(tǒng)計成果中誤差；n為打點總個數(shù)；Δ實測值與圖上值較差。

經(jīng)過外業(yè)打點統(tǒng)計，平面位置中誤差為0.039m，其中最大值為0.088m，最小差值為0.002m；檢核點高程中誤差為0.044m，其中最大值為0.091m，最小值為0.01m。由此可見，成果滿足《CH/T 9008．1—2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字線劃圖》中1∶500地形圖精度要求。

4.結(jié)束語

本文系統(tǒng)性總結(jié)了無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于1∶500比例尺地形圖更新的方案流程，并以實際工程項目驗證了該方案在精度上的可行性，與實際操作上的適用性。目前制約該技術(shù)的發(fā)展其硬件方面包括無人機的續(xù)航時間有待加強以及鏡頭相機像素、分辨率還可以再提高，軟件方面包括飛機控制系統(tǒng)、三維模型生成系統(tǒng)、立體測圖系統(tǒng)都可以有很大的進步空間，并且隨著5G技術(shù)的發(fā)展與成熟，數(shù)據(jù)傳輸與處理有著更廣闊的發(fā)展空間。以下幾個方面是值得深入研究：

（1）根據(jù)三維模型自動或者半自動采集數(shù)字線劃圖；

（2）推廣成果的應(yīng)用，如，不動產(chǎn)三維提供發(fā)證的精度，使得圖形更直觀、更能被公眾接受；

（3）依靠傾斜測量技術(shù)生產(chǎn)出高精度、精細化、真實感、定制化的三維地理信息數(shù)據(jù)，為基礎(chǔ)地理信息行業(yè)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。