基于Sm art 3D三維模型的新疆塔城地區1∶1000 DLG生產與質量評價

彭 偉

（第九師聯拓勘測設計研究有限公司，新疆 塔城 834601）

0.引言

現階段，隨著無人機在測繪行業的廣泛使用，傾斜攝影測量技術也得到了迅速發展，基于傾斜影像數據構建三維實景模型的技術逐漸成熟，并得到了普及。傾斜攝影技術主要是通過無人機平臺搭載多個傳感器，根據設計航線進行飛行采集數據，克服了傳統攝影測量技術角度缺陷，實現了多個不同角度獲取影像信息。利用傾斜影像數據，借助數據處理軟件，可構建三維實景模型，結合重構的三維實景模型進行數字線劃圖（DLG）繪制，并建立產品質量評價系統，在生產效率、產品質量等方面均得到了提高。

1.三維實景處理

使用Smart 3D Capture系統進行實景三維建模，Smart 3D Capture系統具有平差優化、空三加密、影像控制點匹配等數據處理功能，可為三維建模提供真實、精準的實景數據。經Smart 3D Capture系統處理過的數據，可充分展現動態定位實測數據的優勢，保證了校驗結果合理性與精準性。城市實景三維建模流程（如圖1所示）：

圖1 城市實景三維建模

三維實景處理過程包括定位定向系統、原始影像數據、導入路徑、相機參數等，其中，相機參數主要是通過設置像素大小、檢標文件、主點坐標等內容構成。自動化系統建模的過程為：（1）通過光束法區域網整體平差，實現影像間三角對立與不規則三角形網格的創建；（2）創建白模，使場景紋理在白模中映射，展現符合實際的三維場景，全面掌握現場實際情況。目前，在原始影像資料對文件進行組織的過程中，要基于各個角度對組織有效性、全面性進行保證。

1.1 空中三角測量

1.1.1 創建測區目錄

在正式操作前需創建新測區全新目錄，對測區數據進行存儲。實現控制信息數據文件、測區信息、相機信息等的創建。新建目錄的主要參數包括內定向限差和模型連接相對定向限差，分別設置為1/3像素和0。控制網布設時，需注意控制網應布設在便于安置接收設備、便于操作且視野開闊之處，視場內障礙物的高度角不宜超過15°；遠離大功率無線電發射源；交通方便，并有利于其他測量手段擴展和聯測；地面基礎穩定，易于標石的長期保存。本項目共布設七個控制點，其中，包含五個國家三角點，新增兩個控制點。

1.1.2 影像格式轉換

將原始TIFF影像轉換為*.vz格式，利用適普軟件批量預處理，預處理前的效果（如圖2所示），圖像處理后的效果（如圖3所示）。對比圖1、圖2可知：經預處理過的圖像數據較原始數據亮度較好，圖像更加清晰，有利于接下來數據應用。

圖2 圖像預處理前

圖3 圖像處理后

1.1.3 創建空三影像列表

選擇資源管理器的航帶影像，如果順序不滿足實際需求則要重新調整順序。創建影像索引號，以便后續連接點的粗差改正。

1.1.4 量測框標和內定向

自動識別影像框標，從而計算內定向參數。對八個或者四個框架進行測定，并且對內定向參數進行計算。首先，使用仿射變換公式實現內定向，如式（1）所示：

式（1）中，Xi′、Yi′為框標理論坐標，框標觀測坐標指的是Xi和Yi，Ai和Bi指的是內定向參數。在框架為四個時，B3與A3和0接近。如果框標坐標殘差要大于指定的殘差，利用正形變換公式對大誤差點進行計算，如式（2）所示：

通過創建框標模板，實現影像的內定向處理，當出現四個框標沒有在影像框標時，需對相機參數的正確性進行檢查。同時，檢查轉換影像的掃描分辨率。在結束內定向之后對內定向中的成果功能進行檢查和調用，檢查內定向的合理性。如果圖形中存在紅色的X號，說明此片內定向超限。

1.1.5創建航帶和測區影像列表

在某組中劃分航帶，在缺省時的測區全部航線組號都是1，在測區具有交叉航帶時要進行分組。例如，測區航線共有六條，航線1－4航向為東西方向，為第一組；5－6為斜飛航線，為第二組。通過設置組號，進行區分交叉航線。在此過程中要注意，航線組中的航線偏移量不同于普通的航線偏移量。將對點添加到每兩條航線的首位，在質量比較低并且航帶比較長時，能夠在航帶中間合適位置適當加點，對于程序自動地經過航帶轉點具有一定的優勢。對航帶偏移點進行添加，并且對檢查菜單進行點擊，程序能夠自動檢查是否實現加點。

1.1.6 連續相對定向

以定向方案中的某部分設置為特征匹配基礎，進行航帶創建。該處理方法能夠對上百個點進行尋找，大量點數具有高精度定向元素，從而探測匹配的錯誤點。

1.1.7 航帶連接

首先確定航帶連接點，然后使用相對定向中的同個邊緣測定與輪廓匹配方法，構成相鄰航線、影像的匹配點對。利用跨航線構成連續定向，為新航線提供第二套投影中心，結合航帶產生第一套投影中心，使用兩套投影中心對多項式進行改正，目前航帶能夠在上個航帶中轉變。通過地面控制點，利用多項式開展區域網平差，自動提取航帶間轉點、金字塔影像、相對定向與模型連接。設置挑點模式為5×3模式，選擇此類布局可有效保障航帶間重疊度在30%以上。

1.1.8 添加外業控制點

外業布控圖片中，手工添3～4個控制點，并且實現PATB計算的調用，預測其他的控制點并進行定位，對比外業布控點圖片，并在影像中添加其他控制點。調用PATB實現平差結算，點擊主界面的“創建加密點”按鈕，實現加密點文件的自動創建。三維模型效果展示（如圖4所示）：

圖4 三維模型效果展示

2.產品質量評價

結合相關規范，主要以《數字線劃圖（DLG）質量檢驗技術規程》CH／T1025－2011、《測繪成果質量檢查與驗收》GB/T24356—2009為主構建質量檢測體系。采取分批分層隨機抽樣法進行檢測，檢測內容主要包括：

（1）1∶1000數字線劃圖設計精度指標檢查；

（2）平面、高程點位中誤差精度檢查，以GNSS－RTK和全站儀實地測定數字線劃圖上平面、高差坐標的方法進行點位精度檢測。地物點間的相對位置精度檢查，可利用測距儀、鋼尺實地隨機量測各類相鄰地物間距并與數字化地形圖上同名點間距相比較；上述檢測屬同精度檢測方法，中誤差計算公式，如式（3）所示：

（3）數據結構性檢查主要利用人工核對、工具軟件、人機交互等手段，對文件命名、數據格式、要素分層及接邊進行評定；

（4）檢查數字線劃圖的地理精度，采用回放圖實地巡視對照法，檢測重點內容主要有地物地貌測繪的全面性、圖上要素定性的正確性、綜合取舍的合理性、各種地物之間的關聯性、地物地貌要素之間關系的協調性、圖式符號運用的規范性，各種注記的全面、正確性；

（5）整飾質量檢查，回放圖上線劃、符號、注記等內容是否符合國家圖式要求，圖面整體配置、圖廓整飾是否符合規定；

（6）附件質量檢查。

3.實驗分析

3.1 測區現狀

項目的主要目的是為新城市建設的前期規劃提供準確、真實、可靠的基礎地形圖數據。本次任務測區面積23.24km2，測繪比例尺為1∶1000，作業工期10d。測區位于塔城地區額敏縣北部，測區東西長7.4km，南北寬4.5km，總面積23.24km2。測區處在塔城盆地中心，地勢北高南低，較為平坦。測區最高點約950m，最低點約830m，平均高程約890m。

3.2 設計精度指標檢查

為驗證某測區內的平差精度，受控制點稀疏程度影響情況，設計了8個對比實驗方案，主要是通過增加GNSS輔助坐標，調整外業控制點稀疏程度，計算各加密點、定向點、檢查點的點位中誤差。結果（如表1所示）：

表1 不同方案的誤差對比

由表1、圖5、圖6可知：

圖5 加密點中誤差

圖6 檢查點中誤差

（1）在控制點數目較少時，相鄰控制點距離較遠時，根據1∶1000設計精度要求，航測成圖外業控制時，單一的點位平面精度、無法滿足設計要求，需提高點位高程精度要求；

（2）對比不同方案的高程精度（如圖5所示），GNSS坐標未對加密點高程精度產生影響。

綜上所述，在具有相同控制點時，在平差計算中添加GNSS坐標可實現對高程精度進行改善。當控制點數目較少時，GNSS坐標的添加能對精度進行改善；如果具有大量控制點，GNSS坐標在平差過程中不會對高程精度產生影響。

3.3 平面及高程精度檢查

為了檢驗基于三維模型量測地形圖的可行性和精度，借助RTK實地測定數字線劃圖上平面、高差坐標的方法進行點位精度檢測，結果（如表2所示）：

表2 平面位置及高程中誤差檢測統計表

點號 x/m y/m xy/m z/m 7 0.003 -0.034 0.034 -0.069 8 -0.013 -0.027 0.03 0.045 9 0.04 0.038 0.055 -0.053 10 0.01 -0.016 0.019 -0.038

結合式（3）分別計算平面位置和高程中誤差，結果顯示：平面中誤差為0.03m，高程中誤差0.05m。通過點位精度結果可知，基于實景三維模型的數字線劃圖生產方法，能夠實現1∶1000數字線劃圖的高精度、快速生產。

4.結束語

無人機的大面積普及，極大促進傾斜攝影測量技術的發展，隨著傾斜攝影技術在地形圖繪制工作中的應用，地形圖成圖的效率、精度以及生產成本都到了發展，本文以新疆塔城地區數字線劃圖繪制項目為例，開展了利用三維實景模型進行DLG生產方法研究，詳細探討了Smart 3D空三測量技術，構建了DLG產品評價體系，利用實驗對控制點個數對設計精度影響情況進行了分析，借助RTK對部分DLG成果進行了精度分析。結果顯示：精度可滿足1∶1000精度要求。實踐證明：該方法縮短了傾斜攝影技術的成圖周期，節約成本，精度較好，可推廣類似工程項目應用。