吳卉穎 全昌文

摘 ?要：傾斜攝影為地形三維測圖創(chuàng)造條件，能夠有效減少外業(yè)工作，提升作業(yè)效率。該文以產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，構(gòu)建園區(qū)高分辨率實(shí)景三維模型，進(jìn)行大比例尺地形圖三維采集作業(yè)，并開展空三精度評價(jià)和地形圖精度評定，結(jié)果表明，該作業(yè)方法能夠達(dá)到1∶500地形圖的生產(chǎn)精度要求，為類似項(xiàng)目開展提供參考。

關(guān)鍵詞：三維測圖；傾斜攝影；地形圖；無人機(jī)；實(shí)景三維模型

中圖分類號：P23 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0169-04

Abstract： Oblique photography creates conditions for 3D topographic mapping， which can effectively reduce field work and improve operational efficiency. Taking the industrial park as an example， based on the UAV tilt photography technology， this paper constructs the high-resolution 3D model of the park， carries out the three-dimensional collection of large-scale topographic maps， and carries out the spatial three-precision evaluation and topographic map accuracy evaluation. the results show that this method can meet the production accuracy requirements of 1virtual 500 topographic map and provide reference for similar projects.

Keywords： 3D mapping; oblique photography; topographic map; UAV; realistic 3D model

產(chǎn)業(yè)園區(qū)是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級的重要空間聚集形式，一般分布在城市周邊特定規(guī)劃區(qū)域。園區(qū)地形數(shù)據(jù)是城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的重要組成部分，在城鎮(zhèn)規(guī)劃、市政管理、工程建設(shè)和應(yīng)急救援等領(lǐng)域發(fā)揮著廣泛應(yīng)用[1]。近年來，隨著無人機(jī)航攝技術(shù)的迅速發(fā)展，單一視角的垂直攝影快速轉(zhuǎn)變成多視角的傾斜攝影[2]，形成的三維立體成果能夠真實(shí)反映客觀世界原貌，為三維地形測繪創(chuàng)造了便利條件。

傾斜攝影技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)地形測繪的作業(yè)模式[3]，極大地提高了內(nèi)業(yè)判圖的準(zhǔn)確性，大幅減少了外業(yè)調(diào)繪的工作量，三維測圖已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前城區(qū)地形測繪的主要技術(shù)手段。文獻(xiàn)[4]從像控密度、模型分辨率和測圖方式等方面對大比例尺三維測圖進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[5]探討了如何運(yùn)用二、三維聯(lián)動(dòng)方式開展大比例尺地理要素測繪和更新；文獻(xiàn)[6]對基于傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖進(jìn)行了技術(shù)可行性驗(yàn)證和成果精度可靠性檢測；文獻(xiàn)[7]采用無人機(jī)傾斜攝影的方法，對大比例尺地形圖要素更新進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和研究；文獻(xiàn)[8]以農(nóng)村房屋地籍調(diào)查工作為例，提出一種針對消費(fèi)級無人機(jī)的大比例尺地形圖測繪方案并進(jìn)行了實(shí)踐；文獻(xiàn)[9]分析對比了3款主流地形圖采集軟件，為基于傾斜攝影技術(shù)的三維測圖提供了技術(shù)指導(dǎo)。

本文結(jié)合傾斜攝影的技術(shù)適用性，提出采用多旋翼無人機(jī)獲取產(chǎn)業(yè)園區(qū)多視角影像，通過建模軟件構(gòu)建園區(qū)實(shí)景三維模型，并在三維測圖平臺(tái)上開展園區(qū)地形要素采集，為項(xiàng)目提供了符合精度要求的1∶500地形圖成果數(shù)據(jù)。

1 ?傾斜攝影技術(shù)

1.1 ?技術(shù)原理

傾斜攝影是指同一飛行平臺(tái)搭載多個(gè)傳感器，在空中從不同方位同步采集多角度影像，結(jié)合位置、姿態(tài)、地面控制等數(shù)據(jù)，利用多視影像匹配和平差算法生成高精度實(shí)景三維模型、真正射影像（TDOM）、數(shù)字表面模型（DSM）等產(chǎn)品的攝影測量技術(shù)。相比傳統(tǒng)的攝影測量，傾斜攝影能夠獲取到更加豐富的側(cè)面紋理等信息，構(gòu)建的三維模型能夠全方位、立體化還原地物地貌特征。

1.2 ?優(yōu)勢特點(diǎn)

傾斜攝影技術(shù)改變了傳統(tǒng)地形測繪作業(yè)方式，當(dāng)前主要采用無人機(jī)飛行平臺(tái)進(jìn)行影像獲取，采用三維測圖系統(tǒng)進(jìn)行地形地物要素采編，再以少量外業(yè)補(bǔ)測、調(diào)繪等工作進(jìn)行輔助成圖。相對于解析法、航測法[10]等地形測繪方法，無人機(jī)傾斜攝影具有以下優(yōu)勢特點(diǎn)。

1）靈活性：無人機(jī)傾斜攝影可以在復(fù)雜、多樣的環(huán)境下快速獲取影像，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。

2）高效性：基于無人機(jī)傾斜攝影的三維測繪速度更快，可以同時(shí)獲得大量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)采集效率。

3）成本低：構(gòu)建的實(shí)景三維模型是真實(shí)世界的客觀反映，能夠大幅減少外業(yè)測繪工作量，成本更低。

4）精度高：相比航測法，傾斜攝影采集影像空間分辨率更高，有助于獲得更加精準(zhǔn)的地形地物信息。

2 ?基于傾斜攝影的三維測圖技術(shù)路線

基于無人機(jī)傾斜攝影的三維測圖，主要包括準(zhǔn)備工作、像控測量、航空攝影、空三加密、三維建模、地形要素采集、外業(yè)調(diào)繪和精度檢核等工作。開展三維測圖的技術(shù)路線，如圖1所示。

3 ?應(yīng)用案例

3.1 ?園區(qū)概況

本文以某市城郊產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，面積大小約0.5 km2，屬丘陵地形，園區(qū)內(nèi)主要地物有建筑物、道路、溝渠、電力線等，植被覆蓋較少，平均海拔30 m，最高處約50 m，最低處15 m，園區(qū)整體地貌情況如圖2所示。成圖精度按照CJJ/T8—2011《城市測量規(guī)范》中1∶500成圖比例尺地形精度要求開展，其中平面位置點(diǎn)位中誤差為±25 cm，相鄰地物點(diǎn)平面位置中誤差為±20 cm，高程注記點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于15 cm。

3.2 ?像控測量

為保證空三加密精度，航攝前事先布設(shè)像控點(diǎn)位。采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方式，測區(qū)整體每間隔250～300 m布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)，中間布設(shè)少量檢查點(diǎn)，共布設(shè)像控點(diǎn)10個(gè)，檢查點(diǎn)3個(gè)。控制點(diǎn)位采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量，網(wǎng)絡(luò)選擇GXCORS；每個(gè)點(diǎn)位重復(fù)觀測3次，在觀測過程中，確保衛(wèi)星高度角大于等于15°，有效觀測衛(wèi)星數(shù)大于等于6顆，觀測歷元數(shù)為60，標(biāo)高取位至0.001 m。像控點(diǎn)高程采用似大地水準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換為正常高。

3.3 ?傾斜攝影

園區(qū)范圍較小，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，采用D200多旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)開展傾斜影像數(shù)據(jù)獲取，下視鏡頭固定焦距為25 mm，側(cè)視鏡頭固定焦距為35 mm，像元大小為3.9 μm。航線設(shè)計(jì)主要參數(shù)為：地面分辨率1.5 cm、航向重疊率80%、旁向重疊率75%，飛行高度130 m。采用東西方向敷設(shè)航線，測區(qū)飛行范圍外擴(kuò)130 m。因設(shè)定采集的影像分辨率高，為保證影像精度及清晰度，無人機(jī)飛行速度降低為8 m/s。實(shí)際飛行2個(gè)架次，共獲取影像8 945張，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、GPS數(shù)據(jù)差分解算后，得到用于三維建模的影像數(shù)據(jù)和高精度POS數(shù)據(jù)。

3.4 ?空三加密

目前市面上用于開展實(shí)景三維加密和構(gòu)建模型的軟件較多，如Smart 3D、Mirauge 3D、Context Capture和PhotoScan等。本文采用PhotoScan開展空三加密及建模，該軟件實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)提取影像特征匹配點(diǎn)、整體平差一體化的自動(dòng)空中三角測量。將外業(yè)像控點(diǎn)逐一轉(zhuǎn)刺到各不同視角照片上，進(jìn)行控制點(diǎn)加密解算，獲得高精度的定向點(diǎn)?？杖用艿亩ㄏ螯c(diǎn)精度至關(guān)重要，只有經(jīng)過檢核符合精度要求的才能夠提供下一步工序使用，否則應(yīng)進(jìn)行分析查找精度超限的原因。經(jīng)檢查，本項(xiàng)目10個(gè)定向點(diǎn)、3個(gè)檢核點(diǎn)均符合精度要求。

3.5 ?三維建模

模型構(gòu)建依次按照密集點(diǎn)云生成、TIN模型構(gòu)建、模型三角網(wǎng)優(yōu)化和紋理自動(dòng)映射4個(gè)步驟開展。在高精度空三加密成果的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)基于影像的超高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型并進(jìn)行三角網(wǎng)優(yōu)化，以此生產(chǎn)高分辨率實(shí)景三維模型。三維重建時(shí)需要對水面等情況進(jìn)行填充，避免出現(xiàn)漏洞，模型分塊大小按照50 m間隔設(shè)置，輸出OSGB格式成果，同時(shí)輸出真正射影像數(shù)據(jù)（TDOM）。

3.6 ?地形圖要素三維采集

EPS三維測圖系統(tǒng)具有強(qiáng)大的圖形采集、編輯功能，提供了基于實(shí)景三維模型（OSGB）、點(diǎn)云（LAS）、DOM、DEM等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的二、三維采編工具，數(shù)據(jù)加載快、采編效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)制圖建庫一體化，其核心模塊在于三維測圖。本文綜合采用擬合直線、直角推算、平行推邊和直線相交等多種技術(shù)方法，在園區(qū)三維模型和TDOM成果基礎(chǔ)上開展1∶500地形圖生產(chǎn)，其主要步驟如下。

3.6.1 ?加載數(shù)據(jù)

EPS無法直接打開OSGB格式的三維模型，需要結(jié)合模型瓦片對應(yīng)的xml文件，將其轉(zhuǎn)換生成實(shí)景表面模型DSM文件，才能在系統(tǒng)中顯示出來。先后加載對應(yīng)的DSM和TIF文件，EPS以窗口聯(lián)動(dòng)的方式同步顯示二維影像和三維模型，采集人員裸眼即可實(shí)現(xiàn)地形要素的采集操作，與以往立體像對采集不同的是，這種方式無須佩戴立體眼鏡。

3.6.2 ?地形要素采集

實(shí)景三維模型是現(xiàn)實(shí)世界的直觀反映，可從多角度觀察同一地物，空間位置精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)量測。相對于傳統(tǒng)的立體像對采集方式，在內(nèi)業(yè)能夠解決大部分房檐改正及部分遮擋地物的繪圖問題，減少了外業(yè)調(diào)查、補(bǔ)測的工作量，采集效率得到進(jìn)一步提升。三維地形要素采集同樣遵循先整體后局部的繪制思路，產(chǎn)業(yè)園區(qū)主要地物有道路、廠房、溝渠、管線、陡坎和植被等要素。繪制廠房等房屋時(shí)，依據(jù)不同形狀采用不同繪制方法，如五點(diǎn)法、多點(diǎn)法等，優(yōu)先選取建筑立面清晰平整的最佳位置進(jìn)行輪廓繪制，如圖3所示；規(guī)則無遮擋的道路可以采用平行線法快速繪制道路邊線。對內(nèi)業(yè)無法確認(rèn)、有疑問、需補(bǔ)測的要素及時(shí)進(jìn)行標(biāo)記，采用外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測手段完善圖形要素。

3.6.3 ?調(diào)繪和補(bǔ)測

園區(qū)遮擋較少，調(diào)繪內(nèi)容主要是園區(qū)企業(yè)名稱、道路名稱、管線類型和溝渠水流走向等，對少量遮擋地物和漏測地物采用RTK結(jié)合全站儀進(jìn)行現(xiàn)場快速補(bǔ)測。采集后的地形圖成果，經(jīng)過屬性錄入、空間邏輯一致性、拓?fù)湟恢滦缘葯z查處理后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分幅，按要求輸出地形圖成果。EPS三維測圖系統(tǒng)可以輸出DWG、MDB等不同格式的地形圖數(shù)據(jù)。

3.7 ?精度評定

為檢驗(yàn)地形圖成果精度，采用外業(yè)實(shí)測散點(diǎn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，主要驗(yàn)證地形要素的絕對位置精度和相對位置精度2方面。具體采用GNSS-RTK設(shè)備獲取地物點(diǎn)位置，采用激光測距儀量取地物點(diǎn)間距。實(shí)地抽取兩幅圖進(jìn)行地物點(diǎn)位置精度和間距精度檢測。檢測平面點(diǎn)66個(gè)，平面位置中誤差0.045 m，最大平面位置誤差0.086 m；檢測高程點(diǎn)66個(gè)，高程位置中誤差0.048 m，最大高程誤差0.090 m；檢測相鄰地物點(diǎn)間距40條，邊長中誤差0.053 m，最大邊長中誤差0.068 m，滿足1∶500大比例尺地形圖的精度要求。

4 ?結(jié)束語

本文以產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，構(gòu)建了高分辨率園區(qū)實(shí)景三維模型，進(jìn)行大比例尺地形圖三維采集作業(yè)，并開展了空三精度評價(jià)和地形圖精度評定，結(jié)果表明，該作業(yè)方法能夠達(dá)到1∶500地形圖的生產(chǎn)精度要求。實(shí)例中產(chǎn)業(yè)園區(qū)植被覆蓋較少，遮擋地物不多，適合采用傾斜攝影技術(shù)開展三維測圖，作業(yè)過程更直觀、形象，能夠減少野外工作量，提升作業(yè)效率。需要注意的是，文中采集了1.5 cm的超高分辨率原始影像開展實(shí)驗(yàn)，有效確保了空三加密精度、三維模型的清晰度和空間位置精度，但無人機(jī)飛行高度低，不適合高層建筑區(qū)域作業(yè)，同時(shí)也帶來了數(shù)據(jù)量大影響建模效率的問題，這些局限將隨著傳感器硬件提升、輕量化三維建模等技術(shù)發(fā)展而逐步得到解決。

參考文獻(xiàn)：

[1] 原明超，仇俊.無人機(jī)傾斜攝影測量在三維模型測圖中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2020（7）：116-119.

[2] 付主俊.無人機(jī)傾斜攝影在建筑物立體測量中的應(yīng)用[J].北京測繪，2019，33（7）：839-842.

[3] 鄭瑜，潘成軍．融合傾斜攝影和LiDAR點(diǎn)云測制大比例尺地形圖的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2022（S2）：241-244．

[4] 朱軼群，吳煜心，金國建，等.基于傾斜攝影的三維測圖技術(shù)研究[J].測繪通報(bào)，2020（10）：48-52.

[5] 杜洪濤，郭敏，魏國芳，等.基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測繪方法[J].城市勘測，2018（6）：63-66，81.

[6] 曹寧.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺測圖中的應(yīng)用及精度評價(jià)[J].測繪與空間地理信息，2020，43（8）：174-176.

[7] 泮建偉.基于無人機(jī)傾斜攝影的1∶500地形圖要素更新應(yīng)用研究——以浙江松陽縣為例[J].測繪與空間地理信息，2021，44（10）：211-214.

[8] 許承權(quán)，黃小琴，施政.消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影測量1∶500測圖方法及精度研究[J].測繪地理信息，2020，45（1）：117-120.

[9] 馬旭文，徐柳華.基于傾斜攝影三維模型的大比例尺地形圖測圖軟件比較與分析[J].測繪與空間地理信息，2020，43（2）：57-59，62.

[10] 焦旭，王賀封，張安兵，等.航空攝影測量在礦區(qū)1∶2 000地形圖測繪中的應(yīng)用研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），

2015（3）：105-109.