馮鋒

(江西省地礦測繪院，江西 南昌 330000)

1 引 言

測繪技術(shù)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，得到較快的發(fā)展機遇，傳統(tǒng)方式的經(jīng)緯儀測量和手繪方法已經(jīng)難以滿足當(dāng)前測繪工作的進(jìn)步與發(fā)展趨勢。近些年來出現(xiàn)雷達(dá)測繪技術(shù)、數(shù)據(jù)一體化測繪技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)等，能夠完成更高精度的地圖實景數(shù)據(jù)采集，將大比例尺地圖推向更高的表現(xiàn)階段[1]。針對數(shù)字化技術(shù)，主要應(yīng)用RTK大比例尺地形圖測繪技術(shù)，能夠有效地將測繪數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)據(jù)管理中心，這種方法應(yīng)用在野外較大范圍的地圖數(shù)據(jù)測繪，會出現(xiàn)測繪數(shù)據(jù)間斷性測量、測繪周期增加等現(xiàn)象，不能從較多的角度完成大比例尺地形圖的野外復(fù)雜地形測繪[2]。

本文應(yīng)用傾斜攝影測繪技術(shù)進(jìn)行大范圍內(nèi)地圖相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，再建立實景三維模型創(chuàng)建數(shù)據(jù)的體現(xiàn)平臺。傾斜攝影技術(shù)能夠以立體角度對復(fù)雜地形的實景信息完成數(shù)據(jù)獲取，再加上三維實景模型的數(shù)據(jù)精確表現(xiàn)平臺，將使傾斜攝影技術(shù)采集的地形信息具有更高的精確性與可表達(dá)性?；诖蟊壤叩匦螆D，需要表達(dá)的數(shù)據(jù)必須要具有較強的地圖要素表現(xiàn)能力，在三維實景模型中體現(xiàn)的同時還要滿足大比例尺地形圖內(nèi)部的測繪周期、作業(yè)方式匹配程度等問題。

2 傾斜攝影實現(xiàn)流程

2.1 設(shè)備及軟件介紹

本文主要研究以無人機為基礎(chǔ)進(jìn)行的傾斜攝影測繪技術(shù)，選用多旋翼無人機作為載體，搭載六個傾斜式攝影機進(jìn)行圖像信息的采集，裝置三臺數(shù)據(jù)云系統(tǒng)能夠在飛行傾斜攝影過程中將數(shù)據(jù)完全表達(dá)并傳輸至地形圖數(shù)據(jù)管理中心，且能夠與地面衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，參考衛(wèi)星中原始像素圖形進(jìn)行高強度數(shù)據(jù)完善與新圖形的組件任務(wù)。無人機傾斜攝影過程中還裝設(shè)云臺運行系統(tǒng)，在絕對空間控制的情況下與衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交流，采集衛(wèi)星中大比例尺地形圖比例數(shù)據(jù)作為傾斜攝影數(shù)據(jù)的落實平臺，同時也為后期的傾斜攝影實景三維模型構(gòu)建數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3，4]。實景三維模型的建立應(yīng)用Smart 3D軟件，此軟件能夠在較短時間內(nèi)與數(shù)據(jù)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)互動，且能夠?qū)A斜攝影中采集的二維圖形數(shù)據(jù)與衛(wèi)星中的二維圖形數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過云計算與大數(shù)據(jù)處理方式實現(xiàn)三維圖形數(shù)據(jù)的組建。三維模型中的矢量信息與基礎(chǔ)圖形為指導(dǎo)地形，這表現(xiàn)數(shù)據(jù)周圍信息數(shù)據(jù)以多角度形式實現(xiàn)，在相同時間內(nèi)能夠表達(dá)出多種地形圖信息。在矢量信息的引導(dǎo)下，還可以增加數(shù)據(jù)管理人員的像素操控功能，對地形圖內(nèi)容進(jìn)行精確度編輯，防止三維模型受到外部因素的干擾。

2.2 技術(shù)路線

根據(jù)大比例尺地形圖的測繪標(biāo)準(zhǔn)范圍，需要對傾斜攝影測繪參數(shù)進(jìn)行規(guī)范性要求，在傾斜攝影技術(shù)方面主要規(guī)范無人機的運行過程以及運行動作。無人機在獲取傾斜攝影采集地形圖數(shù)據(jù)時，可以同時控制像素點的形成，能夠節(jié)省后期大量的測繪要素篩選時間；實景三維空間模型內(nèi)部的實景數(shù)據(jù)在多攝像元素的共同作用下要完成像素匹配，只有在模型像素與地形圖像素相匹配的情況下才能夠應(yīng)用到大比例尺地形圖中，三維模型具有大量的云數(shù)據(jù)節(jié)點，用來儲存未識別傾斜攝影數(shù)據(jù)，在后期的數(shù)據(jù)預(yù)處理流程中要進(jìn)行節(jié)點的自主生成；還要保障模型實現(xiàn)紋理的真實性，參照雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍規(guī)范，具體精確度需要依靠映射技術(shù)實現(xiàn)；大比例尺地形圖實際測繪過程中既要滿足實景模型的承載能力，還要對實景三維模型中體現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行分割式數(shù)據(jù)提取，在大比例尺地形圖中構(gòu)建建筑輪廓時盡量應(yīng)用到周圍線性物體作為參照，詳細(xì)標(biāo)注測繪符號，以實景三維模型內(nèi)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對大比例尺地形圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。傾斜攝影流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影流程圖

3 實例研究

3.1 數(shù)據(jù)獲取

應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地形圖相關(guān)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)容主要分為城區(qū)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、“三生”空間格局?jǐn)?shù)據(jù)以及建設(shè)用地數(shù)據(jù)[5～7]。對于城區(qū)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取內(nèi)容需要嚴(yán)格按照最新版的《城市規(guī)劃基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》，在城市中的傾斜攝影一般采用中心軸方法，以城區(qū)中心為傾斜攝影初始地點，通過模式拓展的方式對外發(fā)散攝影，攝影同時能夠通過通訊數(shù)據(jù)識別城市設(shè)施中的具體類別，后期上傳至數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行人工識別，進(jìn)一步保障應(yīng)用在大比例尺地形圖中數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。還可以采用增量法進(jìn)行城區(qū)內(nèi)傾斜攝影，在原始雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，控制傾斜攝影設(shè)備采集與雷達(dá)中數(shù)據(jù)不相同數(shù)據(jù)，提出數(shù)據(jù)創(chuàng)新概念，最后創(chuàng)新出的數(shù)據(jù)需要與原始數(shù)據(jù)相結(jié)合，組建成為最新版的地形圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[8～11]。

“三生”空間格局包括生活、生產(chǎn)和生態(tài)三類。應(yīng)用傾斜攝影采集三生空間相關(guān)數(shù)據(jù)過程中，需要傾斜攝影自身對三生格局相關(guān)數(shù)據(jù)具有一定的識別能力，在大比例尺地形圖中進(jìn)行標(biāo)注的過程中不能完全參照傾斜攝影采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容，還要參照我國規(guī)定的種類編號實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)合。三生空間格局?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容監(jiān)測作業(yè)過程較為簡單，但是數(shù)據(jù)處理難度較大，在數(shù)據(jù)處理過程中要準(zhǔn)確結(jié)合地類代碼，再參照遙感影像內(nèi)容進(jìn)行傾斜攝影內(nèi)容的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化處理。監(jiān)測過程中需要逐一檢查三生數(shù)據(jù)的存在特點，查看城區(qū)項目規(guī)劃面積與實際攝影面積是否一致[12～14]。

建設(shè)用地數(shù)據(jù)采集主要采集人工構(gòu)造建筑邊界或結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。建設(shè)用地一般需要與基礎(chǔ)性開發(fā)用地資源相結(jié)合，通過傾斜攝影獲取的建設(shè)用地可以通過人工協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行修正，對于建設(shè)用地的最底層圖形要素主要包括工礦企業(yè)、居住小區(qū)、體育活動中心、活動廣場等基本用地數(shù)據(jù)，傾斜攝影數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)行提取用在大比例尺地形圖中。但是部分?jǐn)?shù)據(jù)在地形圖中容易造成圖像填充過度、地表覆蓋數(shù)據(jù)超出實際范圍等情況，需要對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編輯與閾值設(shè)定，因此要及時刪除多余數(shù)據(jù)。

3.2 模型建立

本文將建立大比例尺三維地形圖模型作為傾斜攝影采集數(shù)據(jù)的表現(xiàn)平臺，應(yīng)用模型中的數(shù)據(jù)節(jié)點控制傾斜攝影采集的精確位置以及角度等信息，實景三維模型中的數(shù)據(jù)計算形式也應(yīng)當(dāng)與模型中的構(gòu)建紋理相對應(yīng)，不同形式的采集數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在不同的算法下完成在地形圖中的應(yīng)用，模型中的數(shù)據(jù)主要算法有空三加密算法、點云數(shù)據(jù)統(tǒng)計法以及映射等?？杖用芩惴ㄔ趯嵕叭S模型中可以構(gòu)架多種光學(xué)角度影像，從而將傾斜攝影中存在的角度感不強的問題進(jìn)行改善，在追求傾斜影像能夠在模型中精確表達(dá)過程中，也要追求地形圖數(shù)據(jù)能否在外方位元素中精確體現(xiàn)，使模型中匹配的數(shù)據(jù)節(jié)點可以從多種角度進(jìn)行數(shù)據(jù)測算。空中三角相關(guān)數(shù)據(jù)加密后可以參考模型中的位置偏差較小的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行迭代運算，可以建立傾斜攝影數(shù)據(jù)在區(qū)域網(wǎng)中的特征性視角[15]。

模型中的點云數(shù)據(jù)主要用來建設(shè)三維模型體系坐標(biāo)，通過密集度較高的數(shù)據(jù)集合完成匹配算法，傾斜攝影中產(chǎn)生具有邊界特性數(shù)據(jù)在點云構(gòu)建模型中也可以通過最小二乘法實現(xiàn)立體視覺實現(xiàn)，減少大比例尺地形圖后期數(shù)據(jù)融合運算流程。建立模型中也會應(yīng)用到三維TIN構(gòu)建具有多面結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將多層次的數(shù)據(jù)切換成為不同種類數(shù)據(jù)塊，將各個種類數(shù)據(jù)塊編號處理，實現(xiàn)號碼與號碼之間的映射。所建立的模型數(shù)據(jù)底層均具有矢量化結(jié)構(gòu)特點，能夠承載大部分傾斜攝影所采集的數(shù)據(jù)體系，外部數(shù)據(jù)管理人員可以隨時協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)瀏覽模式，增加大比例尺地形圖數(shù)據(jù)融入的概率，為后期的地圖繪制奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實景三維模型內(nèi)部圖像分辨率是傾斜攝影采集要求的重要項目，每個階層的分辨率都要對應(yīng)不同階層的地形圖繪制范圍，通常采用2倍率方式進(jìn)行分辨率計算，可改變原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，加強數(shù)據(jù)在實景三維模型中的表現(xiàn)水平，在模型設(shè)計中加強了模型的切割作用，可以對扭曲性數(shù)據(jù)或空洞性數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形切割，避免后期的地形圖數(shù)據(jù)提取。

3.3 地圖繪制

繪制大比例尺地形圖的規(guī)范與要求將采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用相關(guān)符號代表描繪物體以及地理位置等信息，并且應(yīng)用三維模型中的矢量化繪畫工具完成高分辨率小范圍內(nèi)的要素標(biāo)注，最終能夠在極度放大的狀態(tài)下觀察到標(biāo)注在大比例尺地形圖中進(jìn)行體現(xiàn)。本文進(jìn)行傾斜攝影區(qū)域地勢復(fù)雜，總測繪面積是半徑為 50 km的圓形，地形圖繪制過程中主要先進(jìn)行點坐標(biāo)的確定，完成模型數(shù)據(jù)在大比例尺地形圖中的精準(zhǔn)落實。

地圖繪制過程中常常應(yīng)用大量的傾斜影像，若直接應(yīng)用在實景三維模型中會造成圖像與實際扭曲空間的問題。本文將應(yīng)用Smart 3D三維模型軟件對傾斜攝影產(chǎn)生的傾斜影像做正像處理，使地圖繪制過程的正射影像與原始三維模型影像相結(jié)合，并與傳統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對，參照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)端與近端的同時更正。實景三維模型中直接應(yīng)用在地形圖繪制中會造成遠(yuǎn)端影響遮蓋近端實物現(xiàn)象，所以在進(jìn)行實景描繪過程中應(yīng)當(dāng)采取實景三維模型中多個視角同時繪制，保證繪制畫線能夠精準(zhǔn)勾勒地物要素。

3.4 精確度分析

在實景三維模型中安裝30個監(jiān)測點，平均分布在繪制地圖中，主要通過大比例尺地形圖中的模型坐標(biāo)進(jìn)行兩個監(jiān)測點之間的數(shù)據(jù)誤差分析，如圖2所示為30個監(jiān)測點在模型中的精確度監(jiān)測數(shù)據(jù)：

圖2 監(jiān)測點精度統(tǒng)計

根據(jù)圖中的監(jiān)測結(jié)果可知，監(jiān)測點之間產(chǎn)生的最大誤差為0.8 m左右，對整個測區(qū)按照實際航飛情況每 10 km2～20 km2規(guī)劃一個數(shù)據(jù)處理分塊，共劃分49個數(shù)據(jù)處理分塊。利用對GPS/IMU解算得到的外方位元素，編輯制作每個架次的POS數(shù)據(jù)文件，并在航攝影像中進(jìn)行像控點轉(zhuǎn)刺，使用ContextCapture軟件進(jìn)行空中三角測量計算。對同名點匹配點云檢查、航線曝光點檢查、像控點檢查后，確認(rèn)空中三角測量滿足指標(biāo)要求。其中的監(jiān)測點數(shù)據(jù)真值自身便具有一種數(shù)據(jù)狀態(tài)誤差，所以需要進(jìn)行PTK誤差計算，減少自身誤差對整體精準(zhǔn)度統(tǒng)計干擾，設(shè)定誤差算法在繪制地形圖中標(biāo)準(zhǔn)誤差為±0.1，根據(jù)誤差在實景三維模型中的傳播原理，可將誤差算法表示為：

(1)

(2)

公式中β代表傾斜攝影數(shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生的角度誤差，f代表實景三維模型中的高度誤差，x代表實景三維模型中的水平誤差，z代表大比例尺地形圖繪制過程中產(chǎn)生的精度誤差。此算法能夠滿足比例尺為 1∶150萬地形圖精確度要求，將誤差縮小到 0.000 5以內(nèi)。

通過上述公式計算得出，所采用三維重建軟件進(jìn)行傾斜攝影快速三維建模，真三維模型可輸出的數(shù)據(jù)格式為*.osgb格式。模型成果所有建筑物的空間關(guān)系和紋理，均采用分層顯示技術(shù)(LOD)，以保證任何配置的計算機均能流暢地顯示地物模型，充分詳細(xì)地表達(dá)建筑物細(xì)部特征。輸出的三維實景模型是按一個個小矩形的范圍來輸出的。

4 應(yīng)用實例

4.1 測區(qū)概況及成圖要求

某水電工程設(shè)計項目，需制作實景三維模型及地形圖，測區(qū)分為兩部分：水電站堆積體和水電站樞紐區(qū)，測區(qū)面積分別為 1.8 km2、1.9 km2。測區(qū)為高山地，主要水系為牛欄江，平均海拔約 1 000 m。

所設(shè)計的地形圖測圖中，比例尺為 1∶1 000，要求為平面精度中誤差為 ±0.8 m，等高距為 1 m，高程精度中誤差為 ±1 m。

4.2 無人機航攝與像控點布設(shè)

本次航飛以谷歌影像為基礎(chǔ)背景，確定目標(biāo)區(qū)域范圍，采用白色精靈旋翼機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。設(shè)計相對航高 200 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，地面分辨率優(yōu)于 8 cm，共獲取正射影像 2 138張，傾斜影像 2 470張。

本次像控布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布點方式，共布設(shè)38個像控點，部分像控分布如圖3所示；其中28個像控點參與平差計算，10個點為檢查點。像控點采用RTK量測，控制點平面坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)測繪為2000國家高程基準(zhǔn)。

圖3 部分影像控制分布

4.3 實景三維模型生產(chǎn)

項目采用ContextCapture實現(xiàn)三維模型生產(chǎn)，該軟件數(shù)據(jù)處理的過程簡捷高效，基本無須人工干預(yù)便能生產(chǎn)出高分辨率實景三維模型。生產(chǎn)過程主要包括多視影像聯(lián)合平差及密集匹配、構(gòu)建三維TIN并生成白模及紋理映射。

本次生產(chǎn)共有28個點參與平差計算，10個點為檢查點，空三檢查結(jié)果為檢查點平面中誤差絕對值為 5 cm，高程中誤差絕對值為 10 cm，依據(jù)《數(shù)字?jǐn)z影測量空中三角測量》規(guī)范，空三精度達(dá)到規(guī)范要求。在查看空三關(guān)系模型無明顯錯誤后，基于空中三角測量成果，計算生成OSGB格式的實景三維模型。

4.4 地形要素采集

立體像對的地形要素采集選用MapMatrix圖陣立體測圖系統(tǒng)，內(nèi)業(yè)人員佩戴立體眼鏡進(jìn)行測圖。該方式可以準(zhǔn)確地識別出獨立桿狀物，但對作業(yè)人員要求較高。

實景三維模型的地形要素采集選用清華山維EPS三維測圖軟件，通過EPS軟件加載OSGB格式的三維模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行裸眼測圖。該方式易于采集房屋主體結(jié)構(gòu)并識別房屋層數(shù)進(jìn)行標(biāo)注，且分辨各類坎，裸露地表可精確采集，對作業(yè)員要求較低。但該生產(chǎn)方式對航攝要求較高，空三及建模耗時較長，對于電桿等獨立桿狀物的建模效果差，識別度低，難以采集數(shù)據(jù)；對于植被覆蓋區(qū)及高層建筑物遮擋難以準(zhǔn)確采集。

5 結(jié) 語

本文應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)建立實景三維模型數(shù)據(jù)體現(xiàn)平臺，方便應(yīng)用在大比例尺地形圖繪制中，由于傾斜攝影限制條件較多，所以本文采用無人機與軟件結(jié)合方式減輕無人機數(shù)據(jù)采集壓力，提升傾斜攝影效率。傾斜攝影過程中地物地表中高表面常常遮擋低表面物體，造成傾斜攝影死角，此時應(yīng)用通訊設(shè)備與雷達(dá)原始設(shè)備相關(guān)聯(lián)，組建新實景模型。在實例應(yīng)用過程中對數(shù)據(jù)誤差實現(xiàn)貫穿性地判定，提升傾斜攝影實景三維模型在大比例尺地形圖中的應(yīng)用程度。隨著大比例尺地形圖繪制技術(shù)的發(fā)展，無人機的多角度攝影以及三維模型技術(shù)也將會逐漸應(yīng)用在其中，將會為大比例尺地形圖繪制提供更高的精準(zhǔn)度。