基于傾斜攝影模型提取1∶500地形圖要素技術(shù)研究及應(yīng)用

潘成軍

(重慶市勘測院，重慶　401121)

1　引　言

隨著科技不斷發(fā)展，測繪技術(shù)不斷更新，地形圖測量方法由傳統(tǒng)平板白紙測圖、經(jīng)緯儀測圖發(fā)展到現(xiàn)在的全站儀、GNSS、數(shù)字?jǐn)z影測量等技術(shù)方法進(jìn)行數(shù)字化成圖，在精度和效率上都有很大提高。近年來，天、空、地一體化測繪技術(shù)飛速發(fā)展，傾斜攝影就是其中的一種，它推動了地形測量向高科技、立體圖形、內(nèi)業(yè)測繪方向革命性的變化。

傾斜攝影測量技術(shù)[1]具有多種特點：①立體成果真實，對于地面周圍的反映符合人類感知[2]；②為建模提供真實、豐富的紋理信息；③可實現(xiàn)高精度測量。同時，無人機作為一種新型的低空遙感對地觀測手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業(yè)機動性強等特性[3]。基于上述特點，利用無人機傾斜攝影技術(shù)獲取實景三維模型，用矢量繪圖平臺基于模型提取 1∶500地形圖要素，有效避免傳統(tǒng)作業(yè)方式強度大、效率低、周期長和重復(fù)測量等弊端，極大提升了生產(chǎn)效率，應(yīng)用前景廣泛。

2　設(shè)備選擇及技術(shù)路線

2.1　設(shè)備及軟件

本文論述無人機傾斜影像獲取利用多旋翼無人機搭載五拼傾斜相機進(jìn)行航攝，五拼相機“睿眼”云臺系統(tǒng)由5個SONY ILCE-QX1相機組裝而成，每個相機的像幅大小為5456*3632像素，配備旋翼地面站系統(tǒng)采用零度智控旗下的雙子星系統(tǒng)。實景模型制作采用Smart 3D軟件進(jìn)行空中三角測量及全自動三維建模。地形圖采用EPS 2012地理信息工作站進(jìn)行矢量地形要素提取及圖形編輯。

2.2　技術(shù)路線

根據(jù)無人機傾斜攝影測量的技術(shù)特點及相關(guān)要求制定作業(yè)流程，如圖1所示，本文對航攝外業(yè)及三維建模不作詳細(xì)論述。

圖1　技術(shù)路線

3　工程應(yīng)用案例

3.1　項目概況

應(yīng)用案例選取重慶陳家橋公租房、晉渝盛世、俊峰香格里拉等3個竣工測繪項目作為傾斜攝影 1∶500地形圖生產(chǎn)應(yīng)用研究對象，全要素采集房屋、道路、花圃、梯坎等地形圖基本要素和規(guī)劃竣工信息，其傾斜攝影實景模型如圖2～圖4所示：

圖2　陳家橋公租房

圖3　晉渝盛世

圖4　俊峰香格里拉

上述傾斜攝影實景模型影像質(zhì)量良好、分辨率高、紋理清晰、無大面積噪聲、條紋，依據(jù)模型可多角度、多尺度瀏覽和量測。

3.2　技術(shù)步驟

以EPS 2012地理信息工作站為矢量繪圖平臺，通過底層開發(fā)在繪圖平臺中內(nèi)置測圖模塊，利用傾斜攝影模型進(jìn)行高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作，無須佩戴立體眼鏡，根據(jù)影像及自動空三生成的三維模型直接定位地物要素的三維信息。軟件內(nèi)置地類地物屬性模塊實現(xiàn)要素編碼分類，經(jīng)整理形成 1∶500數(shù)字線化地形圖，如圖5所示。

圖5　定制傾斜攝影程序模塊

(1)模型一鍵承載

基于矢量繪圖平臺底層結(jié)構(gòu)優(yōu)化和算法研究，采用“金字塔模型”自主實現(xiàn)模型一鍵承載、快速瀏覽，解決海量傾斜數(shù)據(jù)對計算機硬件要求高的瓶頸問題，為后續(xù)模型快速瀏覽、數(shù)據(jù)制作奠定堅實基礎(chǔ)。

金字塔層次模型表示多分辨率級別的分層模型，采用縱向分層，橫向分塊的策略來構(gòu)建。金字塔每一層代表一個分辨率級別，從上往下分辨率越來越高(數(shù)值越來越小)，但每一層表示的范圍都是整個原始地形的范圍。金字塔各層的分辨率之間存在一個倍率關(guān)系，通常取倍率取為2(便于采用四叉樹結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù))。各級層次模型的分辨率計算可用公式來表示。設(shè)原始地形的分辨率為r，原始地形高程文件大小為n·n，塊邊長為m，則第0層的分辨率r0為：

(1)

(2)模型切割顯示

由于飛行因素影響、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、現(xiàn)場條件限制、建模機制選擇等原因，無人機傾斜攝影模型數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)空洞、懸掛、遮擋、扭曲等，因此需要對模型進(jìn)行切割顯示處理，避免對后續(xù)數(shù)據(jù)提取存在影響，如圖6、圖7所示。

圖6　模型處理前

圖7　模型水平切割處理后效果

(3)建筑輪廓特征提取

建筑輪廓特征提取時，充分利用傾斜模型中建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)量大、精度高的特點，通過給定建筑物側(cè)面基點自動生成輪廓點功能，解決建筑物外輪廓點部位分辨率不高、特征提取定位不準(zhǔn)、精度不足等問題。該功能不受同一高程平面限制，任意選取建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)精度最佳位置作為給定基點，使建筑輪廓特征提取精度得到顯著提高，如圖8、圖9所示。

圖8　建筑輪廓水平面提取

圖9　建筑輪廓豎直面提取

(4)線型地物特征提取

通過矢量繪圖環(huán)境對傾斜模型三維瀏覽，結(jié)合模型豐富的紋理信息，能夠有效識別主要線性地物的類型及走向，實現(xiàn)快速提取道路、花圃、斜坡、陡坎等線性地物的平面位置、高程及屬性特征，如圖10所示。

圖10　斜坡提取

(5)高程提取

實景模型以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的模型成果能直觀反映地物外觀、位置、高程等屬性信息，所以通過實景影像可以快速提取地面點高程，如圖11、圖12所示。

圖11　地貌高程提取

圖12　屋脊線及房頂高提取

(6)數(shù)字線劃地形圖生成

基于傾斜攝影實景模型進(jìn)行1∶500地形圖室內(nèi)生產(chǎn)，同樣遵循“先整體后局部”的作業(yè)原則，以測圖模塊自動提取的建筑輪廓和地物邊界數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔助人工識別，對點地物遺漏、線地物缺失、面地物不全等進(jìn)行地毯式搜索、逐步清理完善，在模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)時能實現(xiàn)二維矢量平面圖與三維模型場景分屏顯示，模型、矢量、影像同步聯(lián)動，點、線、面隨心編輯，達(dá)到了二三維顯示一體化、符號一體化、編輯一體化，實現(xiàn) 1∶500地形圖室內(nèi)交互式測繪，如圖13所示。

圖13　基于傾斜模型二三維交互式測圖

4　精度評定

4.1　測量精度要求

大比例尺地形圖質(zhì)量檢查主要包括數(shù)學(xué)精度、屬性精度、數(shù)據(jù)正確性及要素完備性、整飾質(zhì)量及附件質(zhì)量檢查，依據(jù)《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)相關(guān)要求：平地、丘陵地帶地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差不超過圖上 0.5 mm(1∶500地形圖則為 0.25 m)，城市建筑區(qū)基本等高距為 0.5m的平坦地區(qū)，1∶500地形圖高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應(yīng)大于 0.15 m。

4.2　成果精度檢測

項目成果檢測采用全野外數(shù)字化實測成果與傾斜攝影內(nèi)業(yè)提取成圖成果比對的方法進(jìn)行精度評定，檢查要素包含房屋、圍墻、燈桿、道路、花圃、溝渠、陡坎和地形高程點等。成果精度檢查內(nèi)容包括平面精度、高程精度及邊長精度。項目共設(shè)站檢查979點，其中平面檢查點598點，高程檢查381點，邊長檢查68條邊。根據(jù)實測數(shù)據(jù)與傾斜模型提取數(shù)據(jù)相比較，誤差分布及精度統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

成果檢測誤差分布及精度統(tǒng)計表　　　　　　　表1

通過誤差分布統(tǒng)計表得出：檢查點平面中誤差為 0.13 m，高程點中誤差 0.14 m，邊長中誤差 0.15 m，基于傾斜模型提取數(shù)據(jù)中誤差小于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限差，由檢測結(jié)果表明，基于傾斜攝影模型進(jìn)行地形圖要素提取可應(yīng)用于 1∶500大比例地形圖測繪。

4.3　誤差分析

(1)原始像片分辨率不足的航攝誤差

由于無人機傾斜攝影受地理條件局限、安全飛行高度影響以及設(shè)備精度、航攝參數(shù)設(shè)置等綜合因素制約，可能造成原始像片分辨率不足，因此，根據(jù)方案設(shè)計對地形圖精度的要求，通過優(yōu)化航飛參數(shù)(降低航高、換長焦鏡頭等)[4]，可以提高獲取影像的地面分辨率，從而進(jìn)一步提高相關(guān)數(shù)據(jù)成果精度。

(2)空三加密匹配引起的模型誤差

傾斜航空攝影后期數(shù)據(jù)影像匹配時，因傾斜影像的攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)中含有較多的粗差，嚴(yán)重影響后續(xù)影像空三精度[5]。然而，如何利用傾斜攝影測量中包含的大量冗余信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的高精度匹配是提高傾斜攝影技術(shù)實用性的關(guān)鍵，可通過人工干預(yù)方式將空三成果精度優(yōu)化到最佳[6]。

(3)人工采集操作產(chǎn)生的成圖誤差

基于傾斜模型的地形要素人工采集產(chǎn)生的誤差是一個比較重要的成圖誤差來源，采集時影像圖上1個像素的誤差，實地距離就是 3 cm～5 cm，另一方面，當(dāng)某一地物不在同一高程面時，會因為視差造成矢量采集不準(zhǔn)確，此時需要作業(yè)員根據(jù)不同角度的影像圖進(jìn)行局部調(diào)整。因此，提高作業(yè)員作業(yè)經(jīng)驗和操作熟練度，可提升矢量采集成果的精度。

5　結(jié)語及展望

生產(chǎn)應(yīng)用案例證明，基于無人機傾斜攝影模型提取地形圖要素可基本滿足《城市測量規(guī)范》1∶500數(shù)字線化圖測繪的精度要求，能有效提升測繪生產(chǎn)效率，測繪成果科技含量豐富。但仍有一定局限性亟待解決，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)基于荷載限制及飛行安全考慮，目前無人機電池的續(xù)航能力成為傾斜攝影技術(shù)推廣的限制條件，提高無人機單架次作業(yè)時間將大幅提高該方法的應(yīng)用效率。

(2)由于傾斜攝影模型是對地物地貌表面的模擬，植被覆蓋、房屋遮擋等一些拍攝死角或關(guān)聯(lián)點不足的地方，全自動建模時容易產(chǎn)生模型扭曲變形；匹配截面過小的地物，如路燈、電桿，容易產(chǎn)生模型缺失，需采用其他方式加以補充處理[7]。

(3)地形要素的提取還不是全自動，需要輔助人工識別，容易出現(xiàn)誤判和漏判，需進(jìn)一步研究對軟件二次開發(fā)，提升海量數(shù)據(jù)快速提取、自動識別的能力。

本文通過實踐探索建立了基于傾斜攝影實景模型提取地形要素完成室內(nèi) 1∶500地形圖測繪的關(guān)鍵技術(shù)路線，對成果數(shù)據(jù)精度指標(biāo)及誤差來源進(jìn)行了分析，該技術(shù)在植被覆蓋、遮擋嚴(yán)重、大型商業(yè)群等復(fù)雜區(qū)域推廣應(yīng)用還需做進(jìn)一步探索與研究。