基于實景三維模型的城市1∶500地形圖測繪

張福存，薛晉宇，賈國煥，陳興芳，賈國龍，王曉東

（1.西寧市測繪院，青海 西寧 810001）

近年來，基于傾斜攝影技術的實景三維建模技術廣泛應用，改變了以往傳統的人工建模方式，可以快速、高效地完成大面積建模工作。實景三維模型成果也因其真實性、可量測性、易于更新等特點在城市規劃與建設、管理與治理工作中得到廣泛應用。在測繪領域，基于實景三維模型進行1∶500 地形圖測繪也是近年來測繪產品生產中衍生出來的重要應用之一，并且已經在村莊等建筑相對低矮、遮擋相對較少的地形環境下經驗證有較好的精度[1-4]，而在建模難度較大的城市高層建筑區內的應用幾乎沒有。因此，本文選取高層建筑較多的西寧市海湖新區作為實驗區開展傾斜航拍，并建設該區域的實景三維模型，然后在實驗區內選取兩處高層建筑區作為城市地形樣本和一處城郊低矮房屋區作為村莊地形樣本，基于實景三維模型開展1∶500 地形圖測繪，然后評定兩類地形條件下的地形圖精度，驗證基于實景三維模型開展城市1∶500 地形圖測繪工作的可行性。

1 準備工作

1.1 軟硬件設備

航拍設備采用科衛泰KWT-X6L 六旋翼無人機，傾斜攝影航攝儀采用上海航遙ARC524，其搭載五臺全畫幅相機，其中四臺為45°傾角傾斜航拍，一臺為垂直航拍，單鏡頭有效像素為2 400 萬，傾斜鏡頭焦距35 mm，垂直鏡頭焦距20 mm。實景三維模型生產采用Bentley Context Capture 軟件，地形圖要素采集及圖形編繪采用北京山維科技EPS2016 軟件。

1.2 技術路線

在技術路線上，首先開展無人機航拍和像控點實測工作，然后利用航拍數據生產實景三維模型，之后基于實景三維模型進行1∶500 比例尺地形圖編繪，最后對生產的地形圖進行精度評定（圖1）。

圖1 技術路線圖

2 生產案例

2.1 實驗區概況

以西寧市海湖新區為建模實驗區開展航拍工作，該實驗區面積約20.0 km2，地勢平坦，道路縱橫，建筑以高樓大廈為主，邊緣區域為城鄉結合部，以低矮房屋為主。地形圖測繪選取該實驗區內的兩處高層建筑區作為城市地形樣本和一處低矮房屋區作為村莊地形樣本，兩處高層建筑區均為規整的高層住宅區，一處低矮房屋區多為兩層或三層的連片房屋，有少量單層房屋。建模實驗區及測圖區范圍如圖2 所示。

圖2 實驗區及測圖區范圍

2.2 生產流程

2.2.1 航拍設計及數據獲取

為了滿足1∶500 地形圖要素采集精度，航拍時像片分辨率需優于0.05 m，結合實驗區地形概況、高層建筑樓高情況、現有硬件設備條件以及航拍時的無人機安全考慮，本實驗中設計相對航高為240 m，航向和旁向重疊率均為80%。

航拍工作按照航拍設計實施，本實驗航拍中5 個鏡頭共獲取了約65 000 張像片。對于獲取的航拍像片及POS 數據，依次進行有效像片數確定、POS 數據編輯、各鏡頭像片名更改，確保POS 信息與5 個鏡頭像片數量及信息一一對應，便于全自動三維模型生產。

對于像控點數據，航拍之前在實驗區內選取典型的地面特征點如停車場內停車位標線拐角、籃球場硬化地表拐角、房屋外角頂部等在后續航拍像片上易于定位、且無遮擋的點位，并進行現場實測獲取坐標信息，選取的點位應覆蓋實驗區并分布均勻，注重在精度相對薄弱的實驗區四周區域的點位選取的密度和分布[5]，在不易于選取地面特征點的區域可進行標靶布設。借鑒無人機航測中控制點布設經驗[5-6]，本項目共布設了172 個像控點。

2.2.2 實景三維模型生產

實景三維建模基本上全自動實現，其流程首先是在建模軟件中導入5 個鏡頭的像片數據和POS 數據，由軟件進行連接點自動匹配，對獲取的特征點采用多像密集匹配技術自動匹配同名點，恢復像片之間的相對位置關系，完成相對空三解算，然后加入控制點信息，開展5 鏡頭像片上的同步刺點工作，進行絕對空三計算。在空三精度達到所滿足的精度，并經查看模型空三關系無明顯錯誤后，進行三維模型全自動生產。根據軟件生成的基于真實影像的高密度點云數據，依次進行不規則三角網構建、白模生產和模型紋理映射，最終生成基于真實影像紋理的實景三維模型。

本實驗區實景三維模型如圖3 所示，模型質量良好、分辨率高、紋理清晰、色彩均勻，無大面積空洞、懸浮現象，能夠反映實驗區地形實景，依據模型可多角度、多尺度瀏覽和量測。

圖3 實驗區實景三維模型

2.2.3 地形圖編繪

地形要素采集采用EPS2016 地理信息工作站，該平臺自帶三維測圖模塊，具備實景三維模型數據和地形圖分屏顯示功能，能夠同步聯動三維模型、地形要素和遙感影像數據，方便點、線、面要素采集及編輯，結合該平臺已有的地類地物屬性編輯功能實現地形要素編碼分類，實現1∶500 地形圖要素圖屬一體化采集和交互式測繪。

在具體作業中，按照“先整體后局部”、“先輪廓后細部”作業原則，多角度識別三維要素，應用軟件“模型切割去遮擋”、“建筑外輪廓自動提取”、“以面代點畫房屋”等功能，分片地毯式開展點、線、面地物采集，盡量減少外業調繪工作量。測圖區實景三維模型及地形圖情況如圖4～6 所示。

圖4 高層建筑區實景三維模型與地形圖（一）

圖5 高層建筑區實景三維模型與地形圖（二）

圖6 低矮房屋區實景三維模型與地形圖

3 精度評定

3.1 平面精度評定

3.1.1 低矮房屋區地形圖平面精度

低矮房屋區內選取了35 個點位并實測其平面坐標作為檢查點，點位包括房角、臺階、門墩等多類地形要素。該區域部分實測點位和地形圖量測點坐標信息如表1 所示，分析35 個點位，最大的點位誤差為0.115 m，最小點位誤差為0.025 m，該區域平面中誤差為0.082 m。依據《城市測量規范》（CJJ/T 8-2011）中“平地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”，即在1∶500 地形圖為0.25 m 的平面精度要求，基于實景三維模型的低矮房屋區地形圖平面精度很好，最大誤差不足規范限定誤差的一半，中誤差不足規范限定誤差1/3。

3.1.2 高層建筑區地形圖平面精度

兩處高層建筑區內選取了117 個點位并實測其平面坐標作為檢查點，點位包括樓角、臺階、道路、溝渠、井篦子等地形要素。實測檢查點與地形圖量測點部分信息如表2 所示，所有點位及對應平面誤差分布如圖7 所示，平面中誤差為0.115 m，其中最大點位誤差為0.239 m，最小點位誤差為0.007 m。滿足《城市測量規范》（CJJ/T 8-2011）中1∶500 地形圖0.25 m 的中誤差限差。其中平面中誤差不足規范限定誤差的一半，說明基于實景三維模型的高程建筑區地形圖精度較好。

分析誤差較大點位的分布情況，發現這些點多為高層建筑樓角，再比較高層建筑區和低矮房屋區的點位平面位置精度，高層建筑區平面中誤差為0.115 m，較之低矮房屋區的0.082 m 要大，說明高層建筑區地形圖平面精度要略低于低矮房屋區地形圖平面精度。

3.2 高程精度評定

對兩類地形圖分別進行高程精度評定，利用44 個高層建筑區的高程點求算的高程中誤差為0.138 m，利用23 個低矮房屋區的高程點求算的高程中誤差為0.129 m。依據《城市測量規范》（CJJ/T 8-2011）規定，城市建筑區內1∶500 地形圖的高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不應大于0.15 m。因此，本實驗區兩類地形圖的高程精度均滿足規范要求，但城市地形圖高程精度要略低于村莊地形圖的高程精度。同時，兩類地形圖的高程中誤差均超過了0.12 m，說明基于實景三維模型采集地形圖要素后的高程精度雖滿足規范要求，但整體精度不高。

表1 低矮房屋區部分實測檢查點與地形圖量測點平面坐標

表2 高層建筑區部分實測檢查點與地形圖量測點平面坐標

圖7 高層建筑區點位及對應平面誤差分布圖

4 誤差分析

4.1 實景三維模型誤差

實景三維模型誤差為地形圖精度的主要誤差源，其主要來源于：一是受城市建筑樓層高度影響、硬件設備條件等限制，航拍時考慮到無人機的安全，本實驗中航拍高度為離地面240 m，獲取的垂直鏡頭像片地面分辨率約為0.047 m，略優于1∶500 比例尺所需的0.05 m 分辨率要求。因此，要提高實景三維模型精度，在確保航拍安全同時兼顧航拍效率的情況下，必須提高航攝儀性能，如更換長焦鏡頭；二是在實景三維模型制作過程中，因5 個鏡頭像片中的拍攝物在航拍時的比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導致獲取的數據中含有較多的粗差，嚴重影響后續影像空間精度[7]，也影響了全自動實景三維模型的精度，對此可通過人工干預方式提高空三成果精度[8]。

4.2 地形要素采集誤差

地形要素采集誤差是作業員根據實景三維模型作業時產生的誤差，這與作業員對地物要素的認知、外業經驗、內業作業熟練度有關，尤其是在模型不夠精細的地物上，采集時模型上1 個像元的誤差，就會造成實地距離約3～5 cm 的誤差；另一方面，當某一地物不在同一高程面上時，會因為視差造成信息采集不準確，此時作業員應不斷調整模型尺度、變換模型角度，確保采集位置的準確性。

5 結論與討論

本文選取實驗區進行實景三維模型生產和1∶500比例尺地形圖測繪，研究了利用旋翼無人機結合五鏡頭傾斜相機航拍生產實景三維模型并基于模型生產1∶500 比例尺地形圖的生產流程及關鍵技術，然后對生產的地形圖進行了精度評定和誤差分析。結果表明就圖形精度而言，兩類地形條件下的圖形平面精度和高程精度均滿足規范要求，但比較高樓大廈林立的城市地形圖和低矮房屋為主的村莊地形圖，前者平面精度和高程精度均略低于后者。基于實景三維模型的1∶500 地形圖測繪可在城市地區開展，并且較之傳統的全站儀或GPS RTK 數字測圖具有更快的生產速度和更高的生產效率。

根據本文實驗，實景三維模型生產和基于模型開展城市1∶500 地形圖測繪仍有一定局限性需要解決，主要表現在以下方面：

1）因無人機電池技術、續航技術及荷載限制，目前單架次作業一般在20～60 min，這成為提升航拍作業效率的制約條件，在傾斜攝影技術需要較大重疊度的前提下，提高無人機單架次作業時間將大幅提高傾斜技術的推廣應用，也會促進實景三維模型的應用力度。另外，在城市高樓林立條件的限制下，若想提高模型精度，須配置合適焦距的鏡頭，確保航拍獲取的像片具有成圖所需的分辨率。根據本文的實驗經驗，生產城市1∶500 地形圖所用的實景三維模型應具有優于0.04 m 的地面分辨率。

2）在城市內，受高樓、樹木等地物的遮擋，無人機空中航拍時往往存在一些拍攝死角，給地面及近地面地物的三維建模帶來了很大的難度，模型有可能存在凸凹不齊、扭曲變形等現象，尤其是路燈、電桿等截面較小的地物，容易產生模型缺失，對利用模型采集地形全要素帶來了一定的困難，對此需通過外業調繪等方式加以補充處理[9]。

基于實景三維的城市1∶500 地形圖測繪可在室內完成，大大減少了外業工作量，地形 圖精度可靠，工期有保障，成圖效率高，特別適用于小區域地形圖的快速測繪[10]。隨著傾斜攝影和實景三維建模技術的進步及地形要素采集方法的改進，基于實景三維模型的城市1∶500 地形圖測繪將會更加普及，更具有應用前景。