多源數據補充和優化數字化大比例尺地形圖測繪

梁榮東

【摘? 要】隨著科技的進步，無人機、激光雷達等新設備和新技術不斷涌現，為數字化大比例尺地形圖測繪提供補充和優化方案。論文以大比例尺地形圖測繪作為研究方向，分析無人機傾斜攝影測量技術、激光雷達點云和農村房地一體不動產數據在成圖過程中的應用，以無人機傾斜攝影測量技術為重點進行分析，以供參考。

【Abstract】With the progress of science and technology， UAV， lidar and other new equipment and new technologies continue to emerge， providing a supplement and optimization scheme for digital large scale topographic map surveying and mapping. This paper takes large scale topographic map surveying and mapping as the research direction， analyzes the application of UAV tilt photogrammetry technology， lidar point cloud and real estate data of rural real estate integration in the mapping process， and focuses on the analysis of UAV tilt photogrammetry technology， for reference.

【關鍵詞】傾斜攝影測量;大比例尺;地形圖

【Keywords】tilt photogrammetry; large scale; topographic map

【中圖分類號】P217;P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）07-0154-03

1 引言

近年來，我國以無人機為飛行平臺，搭載不同任務載荷獲取服務于地形圖測繪所需的相關數據。無人機搭載五拼相機進行傾斜攝影測量，構建三維模型可以準確、快速地獲取房屋、大型水閘等構筑物的三維立體模型，通過邊線采集，可以獲取高精度矢量數據。無人機搭載機載激光雷達，獲取相關地區高密度雷達點云，通過點云連線即可獲取有效矢量數據，機載激光雷達技術發射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，可以減少植被枝葉遮擋造成的信息失真，獲取林區的真實地形數據。而對于樹木遮擋嚴重的農村區域，我們可以通過各地已經完成的農村房地一體不動產登記測量數據進行補充。近期安徽省第四測繪院綜合運用以上相關技術完成了安徽省全椒縣的數字化大比例尺地形圖測繪，本文以此為例，展開研究。

2 數字航空攝影測量地形圖

航空攝影測量獲取航空影像是本項目的主要作業方式和數據來源，經典技術流程如圖1所示。

3 無人機傾斜攝影測量概述

隨著無人機技術的發展和進步，特別是后處理軟件的逐漸成熟，傾斜攝影測量技術已廣泛應用于房屋調查登記、文物保護、水利等領域，以無人機為依托，搭載五拼相機，合理設置拍照模式、分辨率、重疊度等相關參數，在保證安全的前提下，軟件自主控制飛行。飛機返航后，通過下載數據，人們可以獲取到1個下視和4個斜視的五視角照片，將獲取到的照片導入專業軟件進行處理，通過計算機對相關圖像信息進行分析、處理結合外業控制點測量工作，得到高精度三維立體模型，最終完成高精度三維建模，生成空間三維模型。這也是一種地形反映方式，能夠精準獲取地形、地物信息。

3.1 意義

傾斜攝影測量技術具有靈活、高效、低成本高精度等優勢，將其應用于大比例尺地形圖測繪，可以彌補傳統航測技術的一些不足。該項目前期航攝到內業初步成圖歷經數月，部分地區地形地貌發生較大變化，部分造型奇特的別墅區已建成，測區內還分布有寺廟等古建筑，傳統攝影測量技術很難準確獲取此類建筑物的準確空間信息，采用無人機傾斜攝影測量，制作建筑物三維模型、生成地形等高線、點，通過采集，可以起到補測作用，提高質量和效率。

3.2 優點

3.2.1 精度高

基于傾斜攝影技術構建三維模型，通過采集特征線獲取構筑物的長寬及坐標信息，精度為厘米級，完全符合國家大比例地形圖規范要求。

3.2.2 效率高

傾斜攝影測量技術使用商用無人機搭載相機可以快速采集影像數據，實現全自動化的三維建模，節省測量時間，具有高效性。

4 傾斜攝影測量技術的應用

傾斜攝影測量技術應用流程為：飛前準備→參數設置、航線設計→影像獲取→構建三維模型→數據采集處理。針對大比例尺地形圖測繪技術要求，為有效提高該技術應用合理性，操控人員需合理設置相機參數、航線重疊度以及飛行高度等主要參數，做到既不浪費又滿足精度要求。

4.1 飛前準備

①收集測區現有資料，包括已有地形資料、氣象數據、地磁環境信息等，并對資料仔細分析，最大化利用。②確認測區是否位于軍事限制區或者是否存在敏感禁飛區，保證國家信息安全和航飛安全。③嚴格按照國家相關法律法規要求進行空域申報和飛行報備。④為提高精度，可以在飛前制作像控點標記并測取像控點準確坐標。像控點是傾斜攝影測量控制加密和測圖的基礎，因此，像控點位置選擇及指示點位的準確程度直接影響測量成果的精度[1]。像控測量的目的是保證空三精度、確定地物目標在空間中的絕對位置，外業像控點測量要嚴格按照《航外規范》的要求，進行人工野外測量。人工制作的像控標志要設置于開闊無干擾地帶，標志點要規范清晰、不易挪動和遮擋，外業使用網絡RTK技術獲取平面坐標和高程坐標。

4.2 參數設置、航線設計

正確設定飛行器傳感器參數，根據要求設置地面分辨率、航高、重疊度、拍攝間隔等各項對質量有重要影響的參數，使各項操作能夠始終保持較高的精準度，在無人機起飛前，要做好調試，確保各單元運行正常。此外，借助三維模型處理軟件，測量人員應做好比例尺調試，確保整個數據處理工作體現出較高的時效性。

4.3 影像獲取

無人機自主飛行，各傳感器都是由軟件控制，搭載的相機自動等距拍攝，在確定曝光點后，各個鏡頭以相應的坐標位置，在多視角基礎上，曝光拍攝獲取影像資料。飛行完成后，要及時下載照片數據、POS數據等有用數據并進行初步處理。

4.4 三維模型構建

與傳統航空攝影測量相比，傾斜攝影獲取的影像數據量更大、重疊度更高，因此，其處理算法、流程也不同。目前，在傾斜攝影的處理過程中引入計算機視覺中的多視幾何原理，完成空中三角測量、模型重建等過程。鑒于傾斜攝影數據量巨大，全范圍一次進行空三處理，十分耗時且硬件設備難以支撐，故而在空三建模時將測區劃分多個子區，以子區為單元使用多臺電腦集群運算進行空三處理和模型構建，而后以控制點為紐帶進行拼接，以此提高效率。

4.4.1 空三加密和優化

空中三角測量即空三加密，是傾斜攝影三維建模的核心，可有效實現傾斜影像處理恢復影像外方位元素。空中三角測量的關鍵點是傾斜影像與正攝影像間的混合平差，采用光束法區域網整體平差方法進行，即以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的數學模型，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，使整體區域最佳地嵌入控制點坐標系中，從而恢復地物間的空間位置關系。需要注意的是，傾斜影像在空三加密過程中，要輸入像控信息并準確刺點，確保傾斜影像的同名連接點能夠有效實現自動匹配。安徽省第四測繪院配有Smart3DCapture建模軟件，空三計算自動完成，如果在結算過程中出現錯誤，軟件會進行相機參數和POS數據的同步檢查。經過空三加密處理后，根據測量分析結果完成輸出工作。

4.4.2 構建三維模型

將影像導入Smart3DCapture，經過同名點選取、多視匹配、三角網（TIN）構建、自動賦予紋理等步驟，最終得到三維模型，即通過明確多視影像技術要點，經過密集點云匹配、點云融合與構網、無縫自動紋理映射等步驟，實現三維模型自動構建。通過使用Smart3DCapture軟件以及傾斜攝影測量技術，在模型構建方面，體現出較為明顯的有效性，在完成構建后，模型具有較高的分辨率。總體而言，三維模型構建包括數據導入、影像數據處理、平差處理等流程。環節眾多并且相對復雜，因此，工作人員應以傾斜攝影數據作為基礎，確定相應的控制點數據，配合使用Smart3DCapture軟件，自動構建模型。在模型重建完成之后，會發現有部分模型存在漏洞、破損的情況，通常存在于匾額、水域等位置。這些問題雖然不能對模型精度產生較大的影響，但是由于這些問題的存在會嚴重影響模型的視覺效果，因此，需要加以人工處理之后才能恢復原貌[2]。

4.5 數據采集處理

以構建好的三維模型作為基礎，使用EPS軟件通過不斷進行視角切換，實現地物觀測，并且能夠進一步采集到相應的地貌要素。地物要素主要采集方式為人工完成，借助直線、垂線等相關工具，采集相關地物要素。以建筑物為例，建立在多視角基礎上，自動識別建筑的所有邊緣部分，并進一步構建出初步輪廓，通過提取，可以獲取建筑物的準確空間信息和線劃數據。地貌要素主要采集手段為三維信息處理，借助有效自動化手段，提取出相關信息，包括等高線、高程點等。通過合理使用軟件，能夠自動完成對相關地貌要素信息的收集。在準確提取出相應的等高線、高程線及邊線信息后，需要對數據進行人工綜合取舍。

另外，在整個采集工作過程中，部分房屋會存在嚴重遮擋情況，要及時予以相應的處理。本項目采用套合使用農村房地一體不動產登記數據予以彌補。在這些區域農村房地一體不動產登記數據采用全站儀實測，數據精度更高。針對部分山地林區，本項目應用激光雷達技術，可有效保障地形、地貌采集效果。機載激光雷達技術是一種主動式測繪地表空間信息的技術手段。通過主動發射激光脈沖，獲取探測目標反射回來的信號并處理得到地表目標的空間信息。機載激光雷達技術有不受天氣、光照等條件制約的優勢。機載激光雷達發射的激光脈沖信號能夠部分穿透植物枝葉直達地表，能有效降低覆蓋影響導致的地表地形信息失真。LiDAR獲取高密度點云，保證了連線數據的較高精度，完全符合大比例尺地形圖測繪精度要求，因此，將機載LiDAR合理應用在大比例尺地形圖中，完成對信息的補充獲取，可更好地滿足測繪實際需求。

此外，由于大比例尺地形圖相對于傾斜攝影測量數據、LiDAR高密度點云連線數據和不動產數據精度要求要低，而且大比例尺地形圖有國標規范，因此，要對傾斜攝影測量數據對照規范和技術設計書進行必要處理，本項目規定：房屋和圍墻外圍輪廓的凸凹部分小于圖上0.3mm（含）、簡單房屋外圍輪廓的凸凹部分小于圖上0.4mm（含）時，可用直線連接;底層未落地的陽臺不表示，落地陽臺按房屋表示，凹進墻體的內陽臺按房屋表示;過街天橋按橋面輪廓投影表示，橋的墩柱不表示;半地下室（由于地勢高低原因，房屋一側是地下室，另一側是外露的）不計入房屋總層數。

5 結論

傾斜攝影技術在各領域工作中發揮出了巨大的作用。我們以項目討論技術，最終用技術推動了項目，充分利用新技術和現有數據為項目的順利完成打下基礎，多源數據的應用保證了本項目的順利完成。空間信息是我們接觸最多應用最廣的信息，未來的測繪技術是空間大數據信息的高效獲取和多源數據的充分融合利用。

【參考文獻】

【1】CH/Z 3004—2010低空數字航空攝影測量外業規范[S].

【2】譚仁春，李鵬鵬，文琳.無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優化[J].測繪通報，2016（S2）：193-196.