周 攀

（銀川市房地產(chǎn)測(cè)繪中心（有限公司），寧夏 銀川 750000）

地形圖對(duì)于礦山的開采管理、規(guī)劃來(lái)說(shuō)非常重要，因此生產(chǎn)高精度的地形圖是非常有必要的。傳統(tǒng)生產(chǎn)地形圖是利用GPS-RTK進(jìn)行全野外作業(yè)，然后內(nèi)業(yè)根據(jù)外業(yè)采集的坐標(biāo)和繪制的草圖進(jìn)行連點(diǎn)成圖，其精度主要取決于外業(yè)采集點(diǎn)的數(shù)量。點(diǎn)多則精度高，但是效率低、成本高、工期長(zhǎng)；點(diǎn)少則精度低，但是效率高、成本低、工期短。這種作業(yè)方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需求。隨著無(wú)人機(jī)以及導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，采用無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)進(jìn)行航空攝影，然后基于虛擬立體像對(duì)進(jìn)行地形圖生產(chǎn)成為了一種主流的生產(chǎn)地形圖的作業(yè)方法，但是這種方法無(wú)法滿足1∶500地形圖精度要求。隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)以及快速發(fā)展，采用無(wú)人機(jī)搭載傾斜相機(jī)進(jìn)行航空影像數(shù)據(jù)獲取，然后內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和地形圖生產(chǎn)又成為了研究熱點(diǎn)[1-3]。筆者在深入分析了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)后，提出采用傾斜攝影的方式生產(chǎn)1∶500地形圖，并以實(shí)際礦山大比例尺地形圖生產(chǎn)項(xiàng)目為例，采用外業(yè)實(shí)地采集的地物特征點(diǎn)對(duì)本文提出的方案進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后可知，采用本文方案生產(chǎn)的地形圖，其平面精度、高程精度均可以滿足1∶500地形圖精度要求，可以為大比例尺地形圖的生產(chǎn)帶來(lái)借鑒。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影概述

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影是指在無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載一臺(tái)或數(shù)臺(tái)航攝影，從空中對(duì)地面進(jìn)行多角度、全方位影像數(shù)據(jù)的采集[4]。目前常見(jiàn)的傾斜相機(jī)有搖擺2鏡頭、掃擺3鏡頭、5鏡頭等，其主要區(qū)別在于獲取影像的角度不同。以5鏡頭傾斜相機(jī)為例，其由1個(gè)下視和4個(gè)側(cè)視相機(jī)組成，下視主要是垂直地面獲取地物影像，其獲取的主要是頂部信息，而側(cè)視相機(jī)是以一定的角度獲取地物影像信息，其獲取的主要是建構(gòu)筑物的側(cè)面信息。較傳統(tǒng)垂直攝影來(lái)說(shuō)，雖然增加了影像的冗余度，匹配速度有了降低，但同時(shí)增加了影像的有用信息，提高了匹配的精度和可靠性。在5鏡頭中，最合理的搭配是下視與側(cè)視呈45度，這樣側(cè)視獲取的影像信息更加豐富。由于航攝分辨率與航攝相對(duì)高度、焦距以及像元大小有關(guān)，而在攝影測(cè)量解算時(shí)，要求航攝分辨率盡可能一致，因此需要保證傾斜攝影獲取的影像分辨率也盡可能一致，這樣才可以獲得最優(yōu)的解算成果。通過(guò)5鏡頭相機(jī)組合可知，要想得到同分辨率的影像，對(duì)于同款相機(jī)，當(dāng)像元大小相同時(shí)，必須保證航攝高度和焦距呈正相關(guān)。由45度夾角可知，側(cè)視鏡頭到被攝物體的距離是下視鏡頭的1.41倍，因此必須保證側(cè)視焦距是下視焦距的1.41倍，當(dāng)下視焦距為35mm時(shí)，側(cè)視焦距必須是50mm，這樣才可以得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)解算成果。

1.2 傾斜攝影生產(chǎn)大比例尺地形圖流程

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖，其工作內(nèi)容主要分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)，外業(yè)主要包含無(wú)人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)采集和像控點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量；內(nèi)業(yè)主要包含影像數(shù)據(jù)的解算和地形圖的生產(chǎn)，其具體作業(yè)流程如圖1所示。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影在礦山大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

由于目前無(wú)人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，定位精度并不高，因此在生產(chǎn)高精度測(cè)繪成果時(shí)，需要通過(guò)適量的像控點(diǎn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行校正。本次像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量主要流程為：首先將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入到圖新地球中，結(jié)合任務(wù)區(qū)范圍內(nèi)地形，按照500m的間隔均勻布設(shè)像控點(diǎn)，在任務(wù)區(qū)邊緣拐角處，也進(jìn)行了像控點(diǎn)位的布設(shè)。布設(shè)點(diǎn)位完成后，將布設(shè)成果導(dǎo)出為kml文件，并提交給像控點(diǎn)采集人員，像控點(diǎn)采集人員將布設(shè)點(diǎn)位成果導(dǎo)入奧維APP軟件中，通過(guò)導(dǎo)航放樣的形式，可以快速到達(dá)點(diǎn)位，并在實(shí)地找到合適的點(diǎn)位進(jìn)行點(diǎn)位噴涂和坐標(biāo)采集。在坐標(biāo)采集時(shí)，首先需要確保各項(xiàng)參數(shù)輸入準(zhǔn)確，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)至少采集3次，每次平滑次數(shù)不低于20次，多次采集坐標(biāo)較差其平面和高程均要求在2cm內(nèi)，否則視為超限點(diǎn)重新進(jìn)行采集，在采集時(shí)，必須是固定解的狀態(tài)方可采集。為了便于內(nèi)業(yè)對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行判斷和轉(zhuǎn)刺，在采集坐標(biāo)時(shí)，需要從不同角度，遠(yuǎn)景和近景分別采集實(shí)地照片，照片要能反映出點(diǎn)位和周邊的地物關(guān)系。按照同樣的方式，在像控點(diǎn)稀疏區(qū)域、精度薄弱區(qū)域采集98個(gè)特征檢查點(diǎn)，用于后續(xù)地形圖成果的精度檢測(cè)。本次所采集的點(diǎn)均為平高點(diǎn)，用于對(duì)平面和高程精度的控制和檢測(cè)。

2.2 原始數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集前，需要進(jìn)行航線規(guī)劃。本次航線規(guī)劃選用WapPointMaster軟件，按照地面分辨率為5cm的要求進(jìn)行航線規(guī)劃，航向和旁向重疊度均設(shè)置為80%，為了保證任務(wù)區(qū)邊緣地形圖成果精度不受模型精度的影響，在航線規(guī)劃時(shí)，將任務(wù)區(qū)范圍線外擴(kuò)100m，確保任務(wù)區(qū)邊緣模型精度符合要求。將規(guī)劃好的航線上傳至飛控，完成無(wú)人機(jī)起飛、影像數(shù)據(jù)采集和降落。在起飛前，首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行了檢查，包括內(nèi)存卡是否正常讀寫，相機(jī)是否正常曝光，POS是否記錄等。航飛的時(shí)候，飛控手通過(guò)地面站時(shí)刻關(guān)注飛機(jī)的飛行狀態(tài)，確保飛機(jī)飛行狀態(tài)安全可控。航飛完成后，第一時(shí)間取下內(nèi)存卡，并將里面儲(chǔ)存的影像和POS數(shù)據(jù)拷貝出來(lái)，并利用Pix4D軟件快速完成航飛成果的質(zhì)量檢查。經(jīng)檢測(cè)，本次航飛成果旁向、航向重疊度符合要求，采用人機(jī)交互方式對(duì)影像的亮度、對(duì)比度等表征質(zhì)量進(jìn)行了檢查，成果均滿足項(xiàng)目需求。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先對(duì)航攝成果進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理主要包括影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)的重命名，POS數(shù)據(jù)的優(yōu)化和相機(jī)參數(shù)的優(yōu)化。

2.3.1 數(shù)據(jù)重命名

本次獲得的5鏡頭影像，每個(gè)鏡頭的編號(hào)和命名規(guī)則都是相同的，為了確保參與數(shù)據(jù)解算的影像是唯一的，采用拖把更名器軟件對(duì)5鏡頭影像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行重命名。為了確保POS數(shù)據(jù)和影像能夠一一對(duì)應(yīng)，對(duì)POS數(shù)據(jù)也進(jìn)行重命名。

2.3.2 POS數(shù)據(jù)優(yōu)化

為了提升空中三角測(cè)量解算的成功率和精度，本次需要對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。由于本次記錄POS的裝置只記錄了下視相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)，并未對(duì)側(cè)視相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)進(jìn)行記錄。因此對(duì)于數(shù)據(jù)解算來(lái)說(shuō)，側(cè)視鏡頭的POS精度是不可靠的。利用專業(yè)的軟件，結(jié)合5鏡頭相機(jī)安置的位置、姿態(tài)、角度、距離等參數(shù)，就可以以下視POS為基準(zhǔn)，解算得到側(cè)視相機(jī)曝光時(shí)的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)，這樣就可以更加準(zhǔn)確地還原被攝物體和相機(jī)之間的關(guān)系，有利于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解算。

2.3.3 相機(jī)參數(shù)優(yōu)化

目前用于5鏡頭的相機(jī)檢校場(chǎng)在國(guó)內(nèi)并不多，而且檢校一次費(fèi)用相對(duì)較高，因此在實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)，并未對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，而是采用軟件自檢校的方式進(jìn)行。本次所采用的相機(jī)在航飛前后，并未對(duì)其焦距等參數(shù)進(jìn)行檢校，因此需要對(duì)其進(jìn)行檢校，這樣才可以得到準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)，便于后期空中三角測(cè)量的準(zhǔn)確解算。本次檢校采取軟件自檢校，首先選擇5鏡頭對(duì)應(yīng)的影像數(shù)各100張，并且包含4個(gè)像控點(diǎn)，將其導(dǎo)入ContextCapture（下文簡(jiǎn)稱CC）軟件中進(jìn)行自由網(wǎng)數(shù)據(jù)的解算和帶像控點(diǎn)的平差調(diào)整，得到平差后的相機(jī)準(zhǔn)確參數(shù)，將其添加到軟件自帶的相機(jī)庫(kù)中，便于后期直接調(diào)用。

2.4 空中三角測(cè)量解算

通過(guò)對(duì)目前主流的建模軟件進(jìn)行分析和評(píng)估，本次礦山實(shí)景三維模型生產(chǎn)選用美國(guó)本特利的CC軟件。首先新建工程，導(dǎo)入優(yōu)化后的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，選擇對(duì)應(yīng)的相機(jī)文件，完善相機(jī)參數(shù)。通過(guò)人機(jī)交互的方式檢查導(dǎo)入的成果，確保導(dǎo)入無(wú)誤后，提交空三解算任務(wù)，完成空中三角測(cè)量的解算工作，本次空三解算采取集群方式進(jìn)行。解算完成后，將像控點(diǎn)導(dǎo)入并完成空三成果的平差調(diào)整，查看其空三報(bào)告，精度符合規(guī)范要求，成果可直接用于實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。

2.5 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)量龐大，不能像正射影像一樣大面積一次性輸出，需要結(jié)合電腦配置，對(duì)其進(jìn)行分割，按照瓦片輸出。本次在生產(chǎn)實(shí)景三維模型時(shí)，瓦片劃分方式選擇規(guī)則格網(wǎng)，瓦片大小設(shè)置為150m，瓦片輸出格式選擇OSGB，瓦片切塊原點(diǎn)和模型輸出原點(diǎn)采用軟件默認(rèn)值，坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置和像控點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，提交重建任務(wù)，完成實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。采用人機(jī)交互方式，對(duì)模型成果進(jìn)行查看，模型精細(xì)度良好，結(jié)構(gòu)完整，存在少量拉花結(jié)構(gòu)變形，但不影響測(cè)圖，成果質(zhì)量整體良好，可直接用于數(shù)字線劃圖的采集[5]。

2.6 大比例尺地形圖測(cè)繪

目前數(shù)字線劃圖采集主要有虛擬立體像對(duì)和裸眼采集兩種方式，本次采集采用裸眼采集方式，采集軟件選擇北京清華山維的EPS軟件。首先將OSGB格式模型和xml文件導(dǎo)入EPS軟件中，生成EPS能夠識(shí)別的DSM索引文件，然后加載索引文件至軟件窗口，并加載數(shù)字正射影像。在

DSM上采集的地形圖成果，可同步到數(shù)字正射影像上，方便對(duì)成果進(jìn)行檢查。在采集房屋時(shí)，對(duì)規(guī)則的四邊形房屋，可以使用EPS軟件中的五點(diǎn)房命令；對(duì)于等高線的采集，在地物稀疏區(qū)域，利用軟件自動(dòng)提取高程點(diǎn)，并基于高程點(diǎn)生成等高線，在植被茂密區(qū)域，可采用淹沒(méi)的方式進(jìn)行等高線的繪制。對(duì)于其它地物的采集，選擇對(duì)應(yīng)的圖層，并完成地形圖的繪制。

3 精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)與分析

將98個(gè)平高檢測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入到EPS軟件中，對(duì)地形圖的平面和高程精度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 平面和高程精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

由表1可以計(jì)算得到，98個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面較差最大為0.267m，高程較差最大為0.312m，采用同精度中誤差計(jì)算公式可計(jì)算得到98個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差為0.119m，高程點(diǎn)位中誤差為0.126m，成果精度均滿足1∶500地形圖測(cè)繪規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了深入分析，提出采用傾斜攝影測(cè)量的作業(yè)方式進(jìn)行礦山大比例尺地形圖的測(cè)繪生產(chǎn)，并以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)其整個(gè)作業(yè)流程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了介紹，最后采用外業(yè)實(shí)地采集的特征檢測(cè)點(diǎn)對(duì)本文方案得到的地形圖成果精度進(jìn)行了檢測(cè)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，采用本文方案生產(chǎn)得到的地形圖，其精度可以滿足1∶500地形圖測(cè)繪精度要求，可以為礦山大比例尺地形圖測(cè)繪帶來(lái)借鑒。