傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用

徐思奇，黃先鋒,，張 帆,，雍小龍，夏志敏，王 濤

(1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大勢智慧科技有限公司，湖北 武漢 430223)

大比例尺地形圖含有詳細的地形要素和地理信息，是城市規劃、市政公用事業、土地管理必不可少的基礎資料[1-2]。目前常用的大比例尺地形圖測繪方法均面臨著工作效率低，成圖周期長，不能快速測圖的緊迫問題[3]。如航空攝影測量技術測繪小面積地形花費的人力物力成本高，精度上不能滿足1∶500地形圖的測量精度[4]；GPS-RTK存在衛星限制、地物干擾、缺少多余觀測、高程數據不準確等問題[5-7]；遙感影像分米級的分辨率不能測繪大比例尺地形圖；三維激光掃描測圖人工勾繪過程有局部地形精度損失且設備價格高技術難普及。

作為國際測繪領域一項高新技術，傾斜攝影測量技術(oblique photography technique)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數據信息，近年來在信息化測繪領域進行了諸多探索[8]。該技術顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場角、更詳細的地物信息數據[9-11]。在拍攝相片的同時，機載傳感器記錄下航高、航速、航向和旁向重疊、坐標等參數，嵌入地理信息、影像信息，使影像數據真實地反映地物情況[12]。利用傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖，充分發揮無人機成本低、靈活、拍攝范圍廣、飛行速度慢等一系列優點[13-14]，人工后處理數據簡單，工作量減少，測圖周期短，成圖速度快，適合地形條件復雜的小面積地域航測。文獻[15]采用固定翼無人機低空飛行采集影像，經過像片控制測量、空三加密制作高分辨率DOM并由此采集特征點線，但該文沒有進行繪制、評定地形圖工作，忽略了人工繪圖過程中的誤差。文獻[16]用無人機采集影像，導入DPGrid系統空三，成果導入VirtuoZo NT軟件釆集地形要素。由于無人機航攝外方位元素誤差較大、圖像畸變較大等問題，大比例尺地形圖的高程精度無法滿足現行規范要求。

本文針對傳統測圖方法難以滿足快速高效測繪大比例尺地形圖的實際需求，提出基于傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖方法，研究了該方法具體的生產流程。與其他無人機測圖手段不同，該方法通過無人機航測系統采集的數碼影像(包括垂直影像和傾斜影像)自動生成地物點云和實景三維模型，由此識別地物輪廓范圍和類別信息完成采集工作。為了驗證本文所提方法的可用性，通過岢嵐縣數據采集與處理試驗對本方法進行驗證分析，試驗結果說明，本文方法繪制的大比例尺地形圖精度滿足規范要求，成圖效率大大提高。

1 傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖工藝

傳統大比例尺地形圖測繪工藝可概括為“三內二外”，即內業收集資料，根據測區概況設計技術方案；外業采集數據，繪制草圖；內業分類矢量化地物，包括配準、空三、格式轉換等；外業調繪，反饋位置、類別信息；內業分幅整飾，存儲成果。

傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖工藝與傳統測圖方法相似，但流程更加簡化，包括以下工藝：

(1) 外業作業前，首先要收集測區資料，包括控制點成果、坐標系統和高程基準參數、已有的地形圖成果與地名資料等，制定無人機航飛技術方案并申請空域，明確無人機搭載的傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行航高航帶架次數、影像拍攝間隔等問題。

(2) 外業工作人員按逐航帶或測區面積布設像控點，然后依照技術方案的安排，用無人機搭載多傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集地形數據，充分發揮無人機傾斜攝影測量技術靈活高效特點，工作時長以小時為單位，不同以往大比例尺地形圖外業測繪按天數計算，縮短項目周期，測繪人員只需無人機飛手和少量作業員，與傳統測圖方法按測區面積配備一定比例的外業人員相比，人員數量減少，節約項目成本。

(3) 內業空三加密、生成點云、建立實景三維模型等操作均可待數碼傾斜影像導入軟件后由軟件自動解算完成，通過多視影像聯合平差技術進行傾斜影像區域網平差、多視影像密集匹配技術得到高精度高密度點云數據，還可以采用聯機運算縮短數據處理時間。繪制地圖過程需作業員手動完成，以三維模型和點云作參照，速度大大提升。

(4) 通過實景三維模型可清晰辨別地物位置和類別信息，外業調繪補測工作量減少，繪圖中遇到疑問需記錄下來，交給外業工作人員核查。

(5) 完成大比例尺地形圖分幅整飾等工作后，提交質檢部門檢查成果的數學精度、屬性精度、地理精度、附件質量等是否符合大比例尺地形圖規范要求，驗收合格才能保存使用，傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖流程

2 試驗與結果分析

2.1 試驗概況

試驗測區位于山西省忻州市岢嵐縣，測區面積約1.080 km2。岢嵐縣位于山西省忻州西南部，地勢東南高，西北低，境內以山地和丘陵為主，全縣山地1140 km2，丘陵面積799 km2，平原45 km2。為保護縣城古城墻，岢嵐縣政府要求快速測繪城區1∶500地形圖。測區如圖2所示的大多邊形區域，古城墻位于大區域中心小矩形區域。

圖2 基于傾斜攝影測量技術快速測繪1∶500地形圖試驗測區位置

試驗使用六旋翼航測無人機搭載傾斜雙相機，利用兩臺全畫幅相機依次前下后擺動60°，一個周期采集6張不同角度的地物航空影像，達到6臺相機同時工作的效果，原理如圖3所示。

圖3 傾斜雙相機周期擺動設計工作原理

無人機飛行5架次，設計航高100 m，航向重疊率80%以上，旁向重疊率60%以上，采集到真彩色航空像片9236張，POS數據5688個，地面分辨率為1.95 cm，飛行信息見表1。

無人機傾斜攝影測量系統自身特點決定影像處理方式與傳統航測方法不同，本文采用Smart3D Capture軟件完成空三、實景三維模型建立、點云生成，導入Geoway 3D Mapping 軟件完成地理要素矢量化、地形圖分幅整飾等，試驗技術流程如圖4所示。

試驗第一個關鍵技術是將POS檢校解算后的傾斜像片導入Smart3D Capture軟件中進行空三加密、模型快速化一體生產、模型數據局部修整及少量人工干預處理，聯機運算一周由9236張1 km2的真彩色航空像片生成點云和OSG格式的實景三維模型，如圖5所示。

表1 無人機采集數據每架次飛行信息

圖4 傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖試驗技術流程

試驗第二個關鍵技術是將實景三維模型和點云導入Geoway 3DMapping 軟件中，按照《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式GB 20257.1—2007》規范中1∶500地形圖要求，參照點云和三維模型完成全要素矢量化采集，數學基礎見表2。

測區在縣城中心，地物類主要是房屋、道路和植被，沒有復雜地形。1 km2的測區由5名采編員耗時5 d手動采集整飾，得到6.08 MB的DWG文件，成果如圖6所示。

圖5 利用Smart3D Capture軟件生成的試驗測區實景真三維場景圖

平面坐標系高程系統地圖投影地圖比例尺圖幅分幅1980西安坐標系1985國家高程基準高斯?克呂格投影，3°分帶中央子午線為東經111°1∶50050cm×50cm

圖6 Geoway 3DMapping軟件矢量化采集成果——數字線劃圖

整理完成的數字線劃圖，匯集需補測的問題交給外業調繪補測，最后修改整飾地形圖，完成測圖工作。

2.2 大比例尺地形圖精度評定

完成地形圖測繪后，首先需評定1∶500地形圖成果的數學精度。根據工程攝影測量規范，平面點位精度和高程注記點精度要求見表3。

選取同樣技術流程測繪的1∶1000岢嵐濕地公園地圖中均勻分布的20個檢查點評定數學精度，基本等高為1 m，平面和高程誤差統計見表4，誤差統計圖如圖7所示。

表3 一般地區、城鎮建筑區地形攝影測量的基本精度

表4 地物檢查點平面和高程誤差統計 m

計算如下

大比例尺地形圖數學精度評定完成后，需要進行屬性精度檢查、地理精度檢查、整飾質量檢查、附件質量檢查等，最終提交成果進行大比例尺地形圖質量評定。

圖7 地物檢查點平面和高程誤差統計圖

通過檢查數據可知，本文利用傾斜攝影測量技術測繪的大比例尺地形圖符合工程攝影測量規范中對基本精度的要求，保證了成果數學精度，綜合該方法省時高效的特點，適合小區域快速測繪大比例尺地形圖。

3 總 結

本文提出利用無人機航測系統拍攝測區傾斜影像生成實景三維模型和點云數據，并且由此測繪大比例尺地形圖方法，試驗證明成果精度達到了大比例尺地形圖質量要求。結合大比例尺地形圖測繪實際，與其他傳統測圖技術相比，成圖時間減少一半以上，人員減少4/5。特別是外業采集數據階段，傳統測圖技術需要根據測區面積大小配備相應數量的測圖人員，采用無人機測圖只需3～4人，降低了測圖成本，特別適用于小區域快速測繪大比例尺地形圖。

目前，該方法還存在無人機飛行作業受天氣影響較大、無人機飛行姿態不穩定需搭載IMU裝置保證高程精度、矢量化采集過程非自動化等問題，未來相關硬件軟件難題的深入研究將為推廣傾斜攝影測量技術測繪大比例尺地形圖提供條件。

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