傾斜攝影測量技術在城市地形測繪中的應用

李金源 羅怡靜 雷良焰 賀宇晴

摘 要 目前城市地形圖的測繪已經成為城市地形信息采集的重要組成部分。開展地形圖測繪的過程中會受到多種因素的影響，往往要面臨不同的問題和挑戰。應運而生的無人機航空攝影測量技術在實際應用中的優勢十分突出，新技術不僅能夠高效精準地獲取地理數據信息，生成精準形象的圖文信息并且降低了人員安全隱患以及減少了人工的任務量。本文將主要圍繞無人機航空測量在城市地形測繪中如何應用進行討論。

關鍵詞 城市地形圖測繪 無人機 傾斜攝影測量 三維重建

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）02-0016-02

1 傾斜攝影測量原理

航測中傾斜攝影測量技術顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限。其原理是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜共五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。基本原理為：影像糾正——獲取特征點——三維建模——物體測量。作業流程如圖1所示。

傾斜攝影測量的數據本質上來看是網格面模型，它是點云通過一些算法構成的。內業軟件基于幾何校正、聯合平差等處理流程，可計算出基于影像的超高密度點云。點云再構建不規則三角網模型最后經過紋理映射構建出真實三維模型。

2 傾斜攝影測量相比于傳統測量的優勢

傳統測量的工作內容包含控制測量、外業采集碎部點、內業成圖、外業調繪等。無人機航測的工作內容為像控點的布設、外業航飛及影像處理、三維建模、內業編輯以及外業調繪。以20平方公里測區為例（成圖比例尺1：2000）來具體比較兩者間的差異可得出后者的優點。

2.1 受環境因素影響小，響應準確快速

傳統測量需要2個內業作業員以及16個外業作業員共八組，且作業過程受到天氣、信號以及地面情況的影響。傾斜攝影測量需要內業10個外業作業員，8個內業作業員共四組。可以看到傾斜攝影測量的外業工作量小于傳統測量，且在操控和運輸的過程中不受設備負擔的影響，能攜帶不同的相機滿足高效獲取圖形的需求。[1]在低空飛行中，傾斜攝影測量對起降場地的優勢體現為對起降場地的要求不多，且在低空飛行中基本不會受到氣候的影響（除少數極端惡劣天氣）。在實際應用中對低空空域的工作申請可行性較高，且準備工作簡單，升空20分鐘后即可進行工作，工作過程中可以根據具體的工作要求靈活而及時的進行調節，控制系統可快速響應做出移動。相比之下傳統測量非常依靠協調工作，不能滿足及時做出響應的需求。

2.2 性價比突出，獲取資料成本低、數據準確、操作靈活

傳統測量需要63天（1134工天），外業人員測圖，內業人員繪圖每小組0.04平方公里/天。而航測僅需12天（98工天），具體為航飛加上布設四角控制點需要0.5天，空三加密需要1天（大約1000張影像），DLG采集需要6天（每人0.33平方公里/天），外業調繪需要4.2天（每個小組1.2平方公里/天）。前者（硬件成本1萬，軟件成本0.5萬，人工成本56萬），而后者總成本僅為13.9萬（硬件5萬，軟件4萬，人工成本4.9萬），拋開時間成本不談，僅財力方面的消耗就節省了52%。[2]

除此之外，傾斜攝影測量方式完美融合了分層顯示及紋理映射兩項技術，為數據獲取及后期建模奠定基礎。對于技術上的追求也不可以拘泥應將更多的高新技術與之合理、有效的結合， 發揮出更加強大的作用。如無人機與紅外線遙感、多光譜遙感、雷達測繪等多種遙感測繪技術的完美結合， 一定會更好地拓展傾斜攝影測量技術的應用領域， 為測量技術開創一個全新的時代。

3 無人機航空測量在城市地形圖測繪中的應用

傳統的測量一般是通過采取地形地物頂部的方式來獲取高程信息以及地貌信息，這種方式對具有明顯輪廓的地形地物具有較好的測量結果。但傳統攝影測量無法獲取目標垂直方向的紋理信息，對于不規整的地物難以獲取立體結構數據，同時也存在著一定的限制（例如飄樓）。而隨著相關理論技術的發展，航空攝影測量從原本的垂直相機工作轉變為同時搭載多個傾斜相機的組合，好處之一是能夠直接獲取側面紋理，直接降低成本。

3.1 城市管理及竣工驗收

三維模型的優點是可以真實地還原地物原本面貌，比如對于違章建筑物的排查、危險地形三維形變檢測等。[3]采用傳統的人工調查、人工測量的方式耗時耗力，傾斜攝影測量的三維重建技術在效率上遠超傳統的人工手段，便于城市管理人員及時了解城市地貌地物等的變化情況，并及時制定相應的舉措。同樣對于建設中的竣工階段，傳統手段提交的多為平面圖或者文檔等二維資料。對于不規則的建筑物無法有效核實，通過傾斜攝影測量構建的三維模型能有效的彌補這一缺點，減少竣工驗收的工作量。

3.2 傾斜攝影測量與BIM模型融合

傾斜攝影三維建模軟件（Skyline PhotoMesh）是基于傾斜攝影技術和圖形運算單元GPU技術進行自動批量建模的應用軟件，通過對多視角傾斜影像、真實街景數據、正射影像等不同數據源數據進行同名點分析與提取、多視匹配融合、自動紋理匹配和貼合等操作，在無需人工干預的情況下，自動批量處理原始影像數據，構建出全要素的、精細的、帶有紋理的真實三維模型。[4]Skyline PhotoMesh軟件具有圖形處理性能高、模型精度高、交互性強、支持多源數據和多元輸出等特點，利用Skyline PhotoMesh軟件建模與傳統建模方法相比，減少了人工成本和建模時間，提高了模型精度和建模效率。

基于skyline軟件對BIM模型和傾斜攝影測量的模型進行融合，利用skyline可以將BIM模型、手工模型、真彩色模型等轉換到三維立體數據庫，然后利用Spatial Framework Services進行發布，輔助不同領域進行施工決策。將兩種模型融合到一起既保留了建筑的固有信息，又增加了外部真實的紋理信息。[5]實現了BIM設計模型的一體化與可視化，對項目的施工方案設計、完成進度展示以及工程造價等方面都具有較好的輔助作用。[6]

3.3 相片控制

使用無人機傾斜攝影測量的技術手段能有效推進城市地形圖測繪工作穩步有效的行進。對于測繪人員而言它一是可以幫助測繪人員全面立體掌握城市地形圖的信息，二是能夠為全球定位系統提供一定量上的信息補充。通過把地面測繪得到的信息與無人機航空攝影所拍攝到的信息進行交換整合有利于提高工作人員航空攝影測量的準確度。與此同時也可以通過優化布置點位以及放置特殊控制點的手段結合全球定位系統，有效提升航測的可操作空間，此舉可以極大程度上減少外部因素對于航空攝影測量的影響從而使準確度得到保障。[7]

4 結語

經濟社會的高速發展為我國無人機測量技術的推廣以及升級提供了保障。輕松的數據采集，高度的建模自動化同時減少人工干預，相比于傳統測量，無人機航空測量技術由于其靈活性強、適用范圍廣等特點，在城市地形的測繪中發揮了重要的作用。[8]新的測量技術必然會催生新的應用模式，未來傾斜攝影測量技術必然會成為測繪的主要方式之一。

參考文獻：

[1] 張奇，徐斌，張冬，徐以泱.傾斜攝影測量三維重建在城市規劃管理中的應用[J].智能城市，2021，07（04）：12-14.

[2] 冀曉輝.航空測量在地形測繪中的應用分析[J].華北自然資源，2020（05）：89-90.

[3] 李璇瓊，熊啟源，何應鵬.航空攝影測量在數字化測圖中的應用[J].科技資訊，2021，19（02）：4-8.

[4] 安可，張順喜.傾斜攝影測量技術應用及展望[J].經緯天地，2019（04）：102-103，112.

[5] 李興久.淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用[J].測繪標準化，2021，37（01）：75-78.

[6] 張玲，張鵬.淺談三維傾斜攝影測量[J].科技傳播，2018， 10（24）：61-62.

[7] 張理想.一體化三維場景模型融合及單體信息添加方法研究[D].河南：鄭州大學，2018.

[8] 王愷，張馳，周洋.城市地形圖測繪中航空攝影測量的應用[J].冶金與材料，2020，40（04）：131-132.

（西華大學 土木建筑與環境學院，四川 成都 610039）