國土空間規(guī)劃背景下傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)DLG 的應(yīng)用分析

范偉斌

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

國土空間規(guī)劃是對一定區(qū)域國土空間開發(fā)保護(hù)在空間和時(shí)間上作出的安排，是國家空間發(fā)展的指南、可持續(xù)發(fā)展的空間藍(lán)圖，也是各類開發(fā)保護(hù)建設(shè)活動的基本依據(jù)。國土空間規(guī)劃要求的數(shù)據(jù)成果有很多，DLG 是其中非常重要的一項(xiàng)成果。傳統(tǒng)的DLG 是采用GPS-RTK 進(jìn)行全野外作業(yè)，該方法不但作業(yè)效率低、勞動強(qiáng)度大，且外業(yè)工作量大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，成本高，不能滿足當(dāng)前快速發(fā)展的社會需求[1]。隨著無人機(jī)攝影測量技術(shù)的發(fā)展，垂直攝影測量技術(shù)逐漸被應(yīng)用到DLG 的生產(chǎn)之中，然而通過大量項(xiàng)目驗(yàn)證，垂直攝影測量方式生產(chǎn)的數(shù)字線劃圖精度不能滿足1:500 精度要求，而國土空間規(guī)劃要求的DLG 精度需滿足1:500，因此尋求新方法生產(chǎn)1:500 的DLG 成為了研究熱點(diǎn)。傾斜攝影測量技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型測繪技術(shù)，憑借其多視角、低空飛行，可以獲取更高分辨率的影像數(shù)據(jù)，減少視角盲區(qū)，為影像高精度匹配提供了保障[2-4]。因此，本文以傾斜攝影測量技術(shù)為依托，進(jìn)行1:500DLG 的生產(chǎn)，并通過檢測點(diǎn)對其精度進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明，采用傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)的DLG 成果，精度高、質(zhì)量好，且大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)到內(nèi)業(yè)，縮短了數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，為國土空間規(guī)劃按時(shí)完成提供了保障，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

1 傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 傾斜攝影測量原理

顧名思義，傾斜攝影的相機(jī)和地面不是垂直的，具有一定的角度值。常規(guī)的傾斜角度位于30°到45°之間，這樣獲取的影像具有更豐富的建構(gòu)筑物側(cè)面圖，視角盲區(qū)少，在后續(xù)生產(chǎn)實(shí)景三維模型時(shí)，可以得到更加完整的三維模型成果和精細(xì)的建構(gòu)筑物模型[5]。傾斜相機(jī)常見的有兩鏡頭、三鏡頭和五鏡頭，兩鏡頭的為搖擺式采集，其中以大勢智慧的最具典型；三鏡頭和五鏡頭按照安置關(guān)系進(jìn)行影像采集，基于五鏡頭研發(fā)的掃擺鏡頭，可以獲取更加豐富的影像信息，其中以陜西飛盟的相機(jī)最為典型。但其獲取的影像數(shù)據(jù)量更大，不利于后續(xù)空中三角測量的解算[6-7]。航空攝影測量，不但可以獲取相機(jī)曝光時(shí)的影像，還可以將相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)記錄下來。對于無人機(jī)來說，由于其姿態(tài)穩(wěn)定性差，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，會將姿態(tài)舍去，只使用位置坐標(biāo)來進(jìn)行數(shù)據(jù)解算[8-10]。目前對于POS 數(shù)據(jù)來說，有普通POS 和差分POS 之說，普通POS 精度約十多米，差分POS 精度可以達(dá)到厘米級，這樣可以更好地用于數(shù)據(jù)解算和減少像控點(diǎn)的測量[11-12]。

1.2 傾斜攝影測量關(guān)鍵問題分析

傾斜攝影測量關(guān)鍵問題主要有空中三角測量解算和實(shí)景三維模型成果接邊。空中三角測量主要是看其空三成果的可用性。在空三分層、彎曲等問題發(fā)生時(shí)，可考慮更換現(xiàn)有軟件進(jìn)行空三加密；在模型成果接邊時(shí)，要考慮到模型原點(diǎn)是否一致，瓦片命名是否唯一。因此在后續(xù)作業(yè)時(shí)，這兩塊是過程檢查中的重要環(huán)節(jié)。

1.3 傾斜攝影生產(chǎn)DLG 流程

主要涉及內(nèi)外業(yè)，外業(yè)主要是空域申請和航線規(guī)劃，內(nèi)業(yè)主要是空中三角測量解算、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺、模型生產(chǎn)和DLG 生產(chǎn)，具體流程見圖1。

2 項(xiàng)目案例

本次測試項(xiàng)目為我院承接的宕昌縣某一區(qū)域國土空間規(guī)劃項(xiàng)目，需要生產(chǎn)1:500DLG 數(shù)據(jù)成果，測區(qū)范圍內(nèi)地形高度基本一致，但局部區(qū)域存在高樓，需采用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)DLG，且要保證其精度滿足規(guī)范要求。

2.1 無人機(jī)、相機(jī)選型

實(shí)景三維模型精度和影像分辨率有直接關(guān)系，影像分辨率和航高、焦距、像元大小又有式（1）的關(guān)系：

通過式（1）可以看出，要想獲得更高分辨率的影像，在飛行高度不變時(shí)，就需要選擇長焦距的相機(jī)和更小的像元尺寸；在焦距和像元大小確定時(shí)，影像分辨率越高，則飛機(jī)航飛高度越低。因?yàn)榇嬖诟邩牵虼诉x擇操作靈活的旋翼無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)更合理，結(jié)合我院生產(chǎn)的旋翼機(jī)續(xù)航和可掛載載荷重量，選擇我院自主研發(fā)的SH-60X 進(jìn)行作業(yè)。在綜合分析后，本次作業(yè)選擇五鏡頭相機(jī)。其中下視鏡頭選擇35mm，側(cè)視鏡頭選擇50mm，這樣可以確保獲取的影像，地面分辨率能盡可能保持一致，有利于后期空中三角測量解算。

2.2 空域申請

任務(wù)區(qū)位于縣城某一區(qū)域，因此按照航空攝影測量要求，需提前進(jìn)行任務(wù)區(qū)空域申請，在申請得到允許后，才可以按照要求進(jìn)行作業(yè)。

2.3 航線規(guī)劃

將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入測區(qū)，結(jié)合地形進(jìn)行航線劃分，設(shè)置航向、旁向重疊度為85%，為了保證任務(wù)區(qū)邊緣模型成果完整，在規(guī)劃航線時(shí)，對航攝范圍進(jìn)行外擴(kuò)，結(jié)合五鏡頭之間夾角關(guān)系，外擴(kuò)1 個(gè)航高即可。地面影像分辨率以下視影像分辨率為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)為0.05 米，根據(jù)相機(jī)參數(shù)，航飛高度為150 米。部分規(guī)劃航線如圖2 所示。

圖2 任務(wù)區(qū)航線規(guī)劃示意圖

2.4 控制測量

在任務(wù)區(qū)范圍線中，按照300 間距均勻噴涂像控點(diǎn)點(diǎn)位。利用GPS-RTK，連接甘肅省CORS，進(jìn)行控制點(diǎn)和檢測點(diǎn)的采集，在采集時(shí)，要求每個(gè)點(diǎn)位平滑3 次，較差在小于1cm 時(shí)，取3 次測量平均值為最后使用的成果。為了提供精度，所有像控點(diǎn)點(diǎn)位均使用紅色油漆進(jìn)行噴涂，噴涂成“L”形，像控點(diǎn)點(diǎn)位選擇L的內(nèi)角。在噴涂點(diǎn)位時(shí)，需將點(diǎn)位噴涂在周邊空闊，地形無明顯變化的地方，“L”尺寸為長60cm，寬20cm，在每天進(jìn)行采集前，需用已知點(diǎn)進(jìn)行儀器核驗(yàn)，確保當(dāng)天采集的成果數(shù)據(jù)可用。在任務(wù)區(qū)范圍內(nèi)，共采集像控點(diǎn)85 個(gè)，檢測點(diǎn)15 個(gè)。

2.5 影像數(shù)據(jù)獲取

影像數(shù)據(jù)根據(jù)空域申請書中要求的時(shí)間段進(jìn)行獲取，在飛機(jī)起飛作業(yè)前，需對相機(jī)和內(nèi)存卡進(jìn)行測試，確保相機(jī)可以正常作業(yè)，內(nèi)存卡可以正常保存影像。

2.6 空中三角測量解算

空中三角測量的解算在傾斜攝影測量整個(gè)環(huán)節(jié)中是非常重要的，空三成果的可用性直接影響到后續(xù)模型的精度和DLG成果的精度。本次使用主流的建模軟件Context Capture，由于選擇的相機(jī)沒有進(jìn)行相機(jī)檢校，因此沒有精確的相機(jī)參數(shù)，針對該類問題，以部分?jǐn)?shù)據(jù)的解算相機(jī)參數(shù)作為整個(gè)測區(qū)的相機(jī)參數(shù)，進(jìn)行輸入，在輸入的過程中，主要輸入相機(jī)焦距，在參數(shù)輸入完成后，提交空三任務(wù)，執(zhí)行空中三角測量任務(wù)解算。空三解算完成后，查看成果，無明顯分層，所有照片均參與空三解算，加密點(diǎn)重投影誤差為0.68 個(gè)像元，小于2/3 個(gè)像元大小，精度符合規(guī)范要求，成果可用。

為了和鄰區(qū)接邊，在進(jìn)行本測區(qū)空三解算時(shí)，還需要引入鄰區(qū)像控點(diǎn)進(jìn)行平差運(yùn)算。一般要求至少有3 個(gè)公共點(diǎn)，這樣可以有效保障接邊區(qū)域精度。如果接邊區(qū)域精度無法滿足接邊要求，可在已生產(chǎn)的精度符合要求的模型上，提取三維坐標(biāo)點(diǎn)作為像控點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺平差，從而提高接邊區(qū)域模型的精度。

2.7 像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差

設(shè)置坐標(biāo)系，將像控點(diǎn)導(dǎo)入，進(jìn)行像控點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺，每個(gè)鏡頭每個(gè)點(diǎn)位至少轉(zhuǎn)刺3 張，對于點(diǎn)位位于影像邊緣的，考慮到影像邊緣變形嚴(yán)重，這里不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，只轉(zhuǎn)刺點(diǎn)位位于影像中心部位的。轉(zhuǎn)刺完成后，進(jìn)行平差計(jì)算，選擇連接點(diǎn)保持，提交平差任務(wù)，可快速進(jìn)行平差計(jì)算。平差完成后，查看平差結(jié)果，控制點(diǎn)平面誤差最大為0.023 米，中誤差為0.012 米；高程誤差最大為0.032 米，中誤差為0.014 米，精度均滿足規(guī)范要求，成果可用。

2.8 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

提交三維模型重建任務(wù)，由于任務(wù)區(qū)面積很大，本次只選取其中一部分進(jìn)行生產(chǎn)，因此需要對瓦片命名起算原點(diǎn)和模型成果原點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，這里將兩個(gè)原點(diǎn)設(shè)置一致，且大致位于任務(wù)區(qū)中心區(qū)域。根據(jù)電腦配置，設(shè)置瓦片大小為100*100 米，按照規(guī)則平面網(wǎng)格劃分，設(shè)置模型貼圖分辨率為0.02 米，確保貼圖采樣分辨率一致；然后導(dǎo)入建模范圍線，選擇模型格式為OSGB，貼圖質(zhì)量為100%，紋理不壓縮；對模型進(jìn)行生產(chǎn)重建，在模型重建完成后，提交正射影像任務(wù)，生產(chǎn)正射影像。

2.9 DLG 生產(chǎn)

2.9.1 基于模型和正射進(jìn)行DLG 采集。本次采用EPS 軟件進(jìn)行DLG 成果數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，首先選擇1:500 的數(shù)據(jù)庫模板，然后加載實(shí)景模型和正射影像。模型首先需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，加載Data 下的模型和對應(yīng)的xml 文件，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，快速生產(chǎn)得到DSM 索引成果，最后加載該成果和正射影像成果。對于平面地物，直接在正射影像上進(jìn)行采集，如道路、河流等，對于需要高程信息的地物地貌，如高程點(diǎn)、等高線等在三維模型上進(jìn)行采集，按照1:500 要求對地物進(jìn)行取舍。其中在采集等高線時(shí)，可使用采集的高程點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，然后通過三角網(wǎng)生等高線，也可采用淹沒的方式進(jìn)行等高線的采集，通過更改步距，進(jìn)行等高線的采集。對于房屋，在進(jìn)行采集的時(shí)候，順帶對屋檐進(jìn)行改正，對于模型拉花，無法準(zhǔn)確進(jìn)行屋檐改正的，需通過外業(yè)進(jìn)行補(bǔ)測，對屋檐進(jìn)行改正。

2.9.2 外業(yè)補(bǔ)測與調(diào)繪。采集完成后，將成果套合到正射影像上輸出，以便于在調(diào)繪時(shí)，直接在影像上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)繪主要調(diào)屬性，如井蓋的用途、樹木的種類、農(nóng)作物種類等，還有就是調(diào)電線的走向、通訊線走向等。對于內(nèi)業(yè)遮擋，無法進(jìn)行準(zhǔn)確采集的地物，在調(diào)繪時(shí)，利用GPS-RTK 直接現(xiàn)場進(jìn)行采集，然后回內(nèi)業(yè)進(jìn)行完善DLG，最后在CASS 軟件中進(jìn)行編輯成圖。

3 DLG 精度檢測統(tǒng)計(jì)與分析

利用15 個(gè)檢測點(diǎn)對本次生產(chǎn)的DLG 成果精度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見圖3。

圖3 DLG 精度檢測折線圖

其中DS 代表平面位置較差，DH 代表高程點(diǎn)位較差。從圖中可以看出，平面最大殘差小于0.2 米，高程最大殘差小于0.25米，多數(shù)點(diǎn)位殘差介于0.1 米到0.15 米之間，成果精度滿足1:500DLG 成果精度要求。

4 結(jié)論

為按時(shí)高質(zhì)量完成國土空間規(guī)劃中的DLG 成果數(shù)據(jù)，本文采用傾斜攝影測量的方式進(jìn)行作業(yè)，首先對作業(yè)流程進(jìn)行了介紹，再以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，對生產(chǎn)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了說明，對空中三角測量環(huán)節(jié)，重點(diǎn)進(jìn)行了說明，最后對生產(chǎn)的成果進(jìn)行精度檢測，結(jié)果表明，成果可以滿足1:500DLG 成果精度要求，為國土空間規(guī)劃項(xiàng)目中的DLG 數(shù)據(jù)成果生產(chǎn)提供了新的作業(yè)方式，可保障該項(xiàng)目按時(shí)按點(diǎn)完成，為其提供了保障。