吳金明

（遼寧省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

隨著數(shù)字城市建設(shè)的高速發(fā)展，對(duì)大比例尺地形圖的應(yīng)用及快速更新提出更高的要求。大比例尺地形圖數(shù)據(jù)是指1 ∶2000、1 ∶1000、1 ∶500 比例尺地形圖，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、交通規(guī)劃、土地確權(quán)、國(guó)情普查以及地籍調(diào)查等多領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測(cè)繪采用數(shù)字測(cè)圖技術(shù)方法，采用全站儀或RTK 技術(shù)進(jìn)行地物特征點(diǎn)的采集，該方法精度雖然高，但是需要多人配合進(jìn)行測(cè)點(diǎn)及畫草圖，因此有大量的外業(yè)工作量并且在特殊地形區(qū)域，如懸崖、陡壁等人工開展測(cè)繪工作，危險(xiǎn)系數(shù)極大[2]。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。與專業(yè)的測(cè)繪無(wú)人機(jī)相比，消費(fèi)級(jí)旋翼無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、成本低、低損耗以及可重復(fù)的特點(diǎn)。該文將傾斜攝影測(cè)量的五組鏡頭搭載到無(wú)人機(jī)，搭建無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量平臺(tái)，對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行全方位拍攝，建立區(qū)域高分辨率三維模型，制作大比例尺地形圖。

1 傾斜攝影測(cè)量

1.1 傾斜攝影測(cè)量原理

傾斜攝影測(cè)量通過(guò)5 個(gè)鏡頭從不同的角度對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲取多角度的區(qū)域影像信息。與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量相比，傾斜攝影測(cè)量多了4 個(gè)角度的拍攝相片，因此可以獲取地表區(qū)域建筑物和構(gòu)筑物更豐富的側(cè)面紋理。無(wú)人機(jī)在5個(gè)角度對(duì)地面拍攝的同時(shí)，機(jī)載GPS 和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)記錄飛機(jī)在拍攝照片的瞬時(shí)位置和姿態(tài)組成POS 數(shù)據(jù)，與地面布設(shè)的像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)，通過(guò)軟件直接計(jì)算地物間的幾何關(guān)系，并將最佳的紋理特征貼合到地表，對(duì)測(cè)區(qū)的地形地物重新構(gòu)建三維模型，獲得高精度的實(shí)景三維、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等[3]。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)包括以下3 個(gè)方面：1）獲取信息量大，無(wú)人機(jī)多個(gè)鏡頭可獲取地面的垂直影像，還可獲取其他方向的側(cè)面照片。2）遮擋少，與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量相比，對(duì)地物可從多個(gè)角度觀測(cè)，極大地減少地物遮擋。3）三維建模自動(dòng)化程度高，傾斜攝影測(cè)量配套數(shù)據(jù)處理軟件較為成熟，可高效、高精度地處理影像數(shù)據(jù)，自動(dòng)化處理程度高。

1.2 參數(shù)設(shè)置

傾斜攝影測(cè)量雖然應(yīng)用與傳統(tǒng)的航攝方法不同，但是其基本原理相同，根據(jù)攝影測(cè)量的方法設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對(duì)測(cè)量成果影響較大。

確定地面采樣間隔。地面采樣間隔是一個(gè)像素對(duì)應(yīng)的地面實(shí)際尺寸，也就是影像的地面分辨率。根據(jù)要求的測(cè)圖比例尺大小設(shè)置影像地面分辨率采樣間隔，地面分辨率大小與測(cè)圖比例尺大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 影像地面分辨率與測(cè)圖比例尺的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2.1 航高設(shè)置

航高即為無(wú)人機(jī)的飛行高度，分為絕對(duì)航高和相對(duì)航高兩種，絕對(duì)航高是指無(wú)人機(jī)相對(duì)平均海平面的高度，相對(duì)航高是指無(wú)人機(jī)相對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的平均高程的高度。無(wú)人機(jī)飛行航高H與鏡頭參數(shù)、地面分辨率之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航飛參數(shù)關(guān)系圖

圖1 中，H為無(wú)人機(jī)飛行相對(duì)航高，f為精度焦距，a為像元大小，GSD 為地面分辨率，通過(guò)圖1 中各參數(shù)的三角關(guān)系，相對(duì)航高H的計(jì)算表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：H為相對(duì)航高；f為焦距；GSD為地面分辨率；a為像元大小。

1.2.2 影像重疊度

影像重疊度是指拍攝的相鄰2 張照片重疊區(qū)域的百分比，分為航向重疊度和旁向重疊度2 種。按照攝影測(cè)量規(guī)范要求，航向重疊度不小于60%，旁向重疊度不小于30%，由于三維模型對(duì)地物的紋理拍攝要求較高，因此設(shè)置的航向重疊度和旁向重疊度要高很多。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 空三測(cè)量

空三測(cè)量是根據(jù)像片間的控制點(diǎn)或者同名點(diǎn)重建影像的幾何拓?fù)潢P(guān)系，采用光束法求解影像的外方位元素，為像片間的精確拼接處理提供高精度參數(shù)?？杖幚碥浖牧鞒倘缦耓4]：1）導(dǎo)入影像軟件。2）連接點(diǎn)自動(dòng)匹配。3）剔除粗差。4）自由網(wǎng)構(gòu)建。5）導(dǎo)入地面控制點(diǎn)。6）區(qū)域網(wǎng)平差。

1.3.2 傾斜影像密集匹配

傾斜攝影影像匹配可以將同一地物的多幅影像獲取的信息進(jìn)行處理，生成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。當(dāng)前，常見的傾斜影像匹配算法主要有最小二乘影像匹配算法、多基云多影像匹配算法以及多視立體匹配算法。在完成區(qū)域網(wǎng)平差后，通過(guò)空三測(cè)量獲取外方位元素，使用多視角生產(chǎn)匹配高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在匹配數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于從多個(gè)角度對(duì)同一地物進(jìn)行觀測(cè)，因此會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，冗余信息可以用于糾正錯(cuò)誤信息，提高點(diǎn)云精度。

1.3.3 數(shù)字表面模型

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，建立高精度的數(shù)字表面模型。由于傾斜攝影測(cè)量在不同角度獲取的地物差異較大并且測(cè)區(qū)上方有樹木遮擋，因此自動(dòng)建立的數(shù)字表面模型會(huì)有新的誤差。在自動(dòng)建立高密度的數(shù)字表面模型后，采用濾波處理方法融合不同的匹配單元，減少模型誤差。

1.3.4 映射紋理

將拍攝的照片正確地附在三維模型上的過(guò)程為映射紋理，本質(zhì)為建立二維照片影像與三維立體間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將二維平面的顏色計(jì)算到三維模型表面。通常采用的映射方法為正向、逆向映射以及兩步映射方法。通過(guò)映射紋理，數(shù)字表面模型轉(zhuǎn)變?yōu)檎娌噬Ｐ汀?/p>

2 實(shí)施方案

該文采用 Phantom·4 Pro 多旋翼無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)為單鏡頭，可在垂直30°～90°調(diào)節(jié)鏡頭角度，可根據(jù)測(cè)區(qū)范圍，通過(guò)軟件計(jì)劃飛行方案，通過(guò)多架次、多角度、多方向獲取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的傾斜攝影數(shù)據(jù)。Phantom·4·Pro 多旋翼無(wú)人機(jī)為消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件傾斜攝影測(cè)量工作的工作量，該無(wú)人機(jī)的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 Phantom·4·Pro 參數(shù)

飛行控制軟件選擇的是Umap 軟件，該軟件操作在設(shè)計(jì)航線時(shí)可只需對(duì)航高、航向、旁向重疊度和航向重疊度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可自動(dòng)解算航線間距和拍攝的時(shí)間參數(shù)，軟件在規(guī)劃飛行線路后，將自動(dòng)估算飛行時(shí)間，一次電量滿足18 min以內(nèi)的飛行，保證飛機(jī)順利返航。

2.1 技術(shù)路線

2.1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)飛行任務(wù)主要分為5 個(gè)步驟：1）確定測(cè)區(qū)范圍。2）像控點(diǎn)布設(shè)?？稍诠雀璧厍蜍浖线M(jìn)行設(shè)計(jì)，布設(shè)原則為均勻分布在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，在布設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量選擇在空曠的、具有明確特征的區(qū)域布設(shè)，如硬化道路拐角、村民的文化活動(dòng)廣場(chǎng)等區(qū)域。3）像控點(diǎn)實(shí)地測(cè)量。在實(shí)地制作地標(biāo)點(diǎn)過(guò)程中，按照事先設(shè)計(jì)的點(diǎn)位在實(shí)地進(jìn)行部署。采用RTK 技術(shù)對(duì)部署的點(diǎn)位進(jìn)行平面控制測(cè)量，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量的方法獲取高程值。4）開展外業(yè)航飛工作。將測(cè)區(qū)范圍及布設(shè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)輸入umap 飛行控制軟件，無(wú)人機(jī)的航線會(huì)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃，進(jìn)行航飛。5）數(shù)據(jù)整理。航飛工作完成后，將無(wú)人機(jī)存儲(chǔ)的影像信息進(jìn)行檢查，初步查看影像是否完整，檢查影像質(zhì)量。

根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況及測(cè)區(qū)范圍，此次飛行像控點(diǎn)的布設(shè)按照航向400 m、旁向400 m 的間隔布設(shè)控制點(diǎn)，在測(cè)區(qū)范圍的4 個(gè)邊線中點(diǎn)位置、4 個(gè)角點(diǎn)位置以及測(cè)區(qū)中心位置共計(jì)布設(shè)35 個(gè)像控點(diǎn)。像控點(diǎn)的平面及高程坐標(biāo)均采用CORS 系統(tǒng)測(cè)量獲得。

航飛的高程為970 m，相對(duì)航高為310 m，設(shè)計(jì)的航向重疊度為78%，旁向重疊度設(shè)置為70%，設(shè)置的攝影基線長(zhǎng)度為65 m，航線間距145 m，CGD 為0.7 m。

采用4 種不同密度的像控點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：1）像控點(diǎn)按照航向、旁向均間隔400 m 的距離，共計(jì)35 個(gè)控制點(diǎn)。2）像控點(diǎn)間距選擇為航向和旁向間距均在800 m～1200 m，共計(jì)12 個(gè)像控點(diǎn)。3）像控點(diǎn)按照航向和旁向像控點(diǎn)間距分別為1200 m 和800 m，共計(jì)9 個(gè)像控點(diǎn)。4）像控點(diǎn)航向和旁向間距均為1200 m，共計(jì)6 個(gè)控制點(diǎn)。

精度分析主要分為2 個(gè)方面：一是三維模型的精度分析，二是地形圖的精度分析。地形圖是由三維模型及DOM生產(chǎn)的，因此地形圖的精度依賴三維模型的精度。在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，選擇地物特征較為明顯的點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，采用CORS系統(tǒng)獲取其平面及高程數(shù)據(jù)。通過(guò)4 種不同的像控點(diǎn)布設(shè)方法建立三維模型，在模型上找到同一位置的點(diǎn)坐標(biāo)作為待檢測(cè)點(diǎn)，分別計(jì)算4 種控制點(diǎn)計(jì)算模式下模型的平面和高程精度。

2.1.2 大比例尺地形圖制作

采用傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)制作大比例尺，主要使用是DOM 數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)。DOM 數(shù)據(jù)主要用于地物采集，即通過(guò)DOM 數(shù)據(jù)可直接采集地物的范圍線。三維模型數(shù)據(jù)則用于采集高程線并且在DOM 難以判讀地物時(shí)，可通過(guò)三維模型中的地物高程進(jìn)一步對(duì)地物進(jìn)行判讀。

使用南方CASS 軟件進(jìn)行地物的采集工作。將獲取的DOM 數(shù)據(jù)批量導(dǎo)出CASS 軟件中，可采用加載光柵插件批量導(dǎo)入，避免分塊導(dǎo)入的缺點(diǎn)。在采集地物的過(guò)程中，按照先大后小、先框架后局部的順序進(jìn)行采集。首先采集的是道路、橋梁、電力線等線狀大范圍數(shù)據(jù)，其次采集居民地設(shè)施、墻柵等地物，最后可采集水系、植被等地物。特別值得注意的是，在實(shí)際采集過(guò)程中有些地物僅從正射影像中難以判讀具體地物，可打開三維模型進(jìn)行查看，進(jìn)一步確定地物類型。

高程要素的采集。采用EPS 軟件進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的采集。將獲取的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為EPS 可讀取的Data.dsm 數(shù)據(jù)格式。在實(shí)際采集高程信息時(shí)，高程點(diǎn)的采集要貼合地面，不能受到建筑物、植被等具有高度地物的影響。高程點(diǎn)在地形較為復(fù)雜的區(qū)域采集要密集，在平坦區(qū)域采集則可稀疏，在地勢(shì)變化區(qū)域特征位置需要加密高程點(diǎn)采集，如山脊線、山谷邊緣線、谷底線以及山丘位置等。

2.1.3 圖面整飾

采集地物完成后，將采集的高程點(diǎn)與高程特征線數(shù)據(jù)插入采集的地物圖中，疊加高程與平面數(shù)據(jù)，通過(guò)高程數(shù)據(jù)構(gòu)建DTM 三角網(wǎng)，根據(jù)地物特征調(diào)整三角網(wǎng)，使三角網(wǎng)盡量貼合地表，修整后的三角網(wǎng)可直接生成等高線。將等高線與三維數(shù)據(jù)疊加，查看是否超出限差要求，將超出限差范圍的區(qū)域圈畫標(biāo)記，繼續(xù)調(diào)整三角網(wǎng)使其滿足要求。等高線的修整不僅要滿足限差要求，同時(shí)也要滿足美觀的要求。此外，為了方便后期修圖，可以對(duì)高程點(diǎn)進(jìn)行取舍，當(dāng)采集高程點(diǎn)時(shí)，應(yīng)保證每個(gè)格網(wǎng)至少1 個(gè)高程點(diǎn)，圖中10 cm×10 cm 的范圍內(nèi)至少保留15 個(gè)高程點(diǎn)并且特殊位置的高程點(diǎn)應(yīng)注意采集，如山頂高程點(diǎn)、路口高程點(diǎn)、陡坎高和溝底等位置。

為確保圖面美觀，需要進(jìn)行圖面整飾。首先，對(duì)符號(hào)壓蓋進(jìn)行調(diào)整，出現(xiàn)道路邊線壓蓋房屋、壓蓋高程點(diǎn)、獨(dú)立房屋之間靠的太近、不同地物之間出現(xiàn)壓蓋以及文字注記位置不合適等現(xiàn)象，需要根據(jù)圖面進(jìn)行調(diào)整。不同圖幅需要接邊時(shí)，也需要仔細(xì)對(duì)圖面進(jìn)行調(diào)整，使其在滿足精度要求的同時(shí)滿足圖面美觀要求。圖2 為通過(guò)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地物采集、高程采集以及圖面整飾形成的局部地形圖。

圖2 局部整飾地形圖

3 精度評(píng)定

三維模型精度評(píng)定的過(guò)程中，通過(guò)CORS 系統(tǒng)采集的地物點(diǎn)平面坐標(biāo)可直接用于平面精度評(píng)定。將地形圖中15 個(gè)對(duì)應(yīng)的地物點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)測(cè)地物點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 實(shí)測(cè)值與矢量值差值表

對(duì)表3 進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)點(diǎn)與矢量點(diǎn)平面坐標(biāo)差值分布較為均勻，在0.22 m 范圍內(nèi)，平面中誤差最大值為0.129 m，平面坐標(biāo)限差小于航測(cè)對(duì)1 ∶500 比例尺地形圖中平面限差0.3 m 的要求。

將等高線高程中誤差進(jìn)行評(píng)定，采用地形圖中的等高線高程與航飛布設(shè)的高程點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 高程中誤差對(duì)比結(jié)果

表4 共計(jì)選取35 個(gè)點(diǎn)計(jì)算高程差值，得出實(shí)測(cè)值與地形圖等高線差值最大值為0.252 m，計(jì)算高程中誤差為±0.158 m，符合航測(cè)規(guī)范中對(duì)1 ∶1000 比例尺地形圖高程中誤差的限差要求。

4 結(jié)論

該文采用消費(fèi)機(jī)單鏡頭旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)開展傾斜攝影測(cè)量工作，對(duì)傾斜攝影測(cè)量的基本原理及參數(shù)關(guān)系進(jìn)行闡述，并對(duì)傾斜攝影測(cè)量建立三維模型的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)例，獲取傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，建立測(cè)區(qū)三維模型，并根據(jù)DOM 采集地物要素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)三維模型獲取高程要素?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)地物數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)分析與等高線的高程坐標(biāo)分析，結(jié)果表明，地形圖的精度滿足測(cè)量規(guī)范要求。通過(guò)傾斜攝影測(cè)量獲取地形圖提高工作效率，減少外業(yè)工作量，為后續(xù)大規(guī)模地形圖的測(cè)制和更新提供參考。