傾斜攝影測(cè)量在三維地形圖繪制中的應(yīng)用

李春雨郁鵬飛

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100000)

引言

地形圖廣泛應(yīng)用在人們生產(chǎn)生活中。鑒于傳統(tǒng)測(cè)量形式單一、數(shù)字化水平低的現(xiàn)狀，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量以作業(yè)靈活、低成本、效率高的優(yōu)勢(shì)逐漸走進(jìn)人們的視野[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也有廣泛的關(guān)注，VCasella等[2]提出了針對(duì)地形起伏較大區(qū)域的傾斜攝影測(cè)量建模方案；Yanbiao Sun等[3]為了優(yōu)化三角測(cè)量，提出了光束法平差提高測(cè)量精度；Taowen Sun[4]使用BIM模型和無(wú)人機(jī)建立三維模型應(yīng)用于房屋測(cè)量；Kristian等[6]以地形露頭傾斜影像為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建格陵蘭島三維模型。蔡嘉倫等[7]針對(duì)國(guó)內(nèi)傾斜攝影測(cè)量精度較低的問(wèn)題，采用遞進(jìn)布設(shè)方式進(jìn)行量化分析；李祎峰等[8]基于傾斜測(cè)量的地理空間信息和應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)開始出現(xiàn)，該系統(tǒng)軟件具有“影像三維測(cè)量”功能，為公共安全及應(yīng)急指揮、城市規(guī)劃、通訊等領(lǐng)域做出了較大貢獻(xiàn)。張晶晶等[9]將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地籍三維測(cè)量中，描述不同影像空三加密方法。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于華北理工大學(xué)D區(qū)教學(xué)樓，面積約為0.15km2。主要地物有樓房、道路和少許綠化，屬溫帶季風(fēng)性氣候，地勢(shì)平坦，地物特征明顯，無(wú)明顯遮擋物。拍攝時(shí)間為4月，當(dāng)天天氣晴朗，適合作為拍攝場(chǎng)地。

1.2 數(shù)據(jù)源

本次實(shí)驗(yàn)共采集了19個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)分布在道路標(biāo)線處和明顯地物的邊角，覆蓋了整個(gè)航拍區(qū)域，布設(shè)點(diǎn)如圖1所示。像控點(diǎn)大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)焦距為8.8mm，設(shè)置航拍高度100m，相機(jī)傾角為60°，航向、旁向重疊率均為80%。拍攝18條航帶，獲得傾斜影像1235張。

表1 實(shí)驗(yàn)區(qū)像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)

2 三維模型建立

圖2 模型建立流程圖

3 三維地形圖成果分析

3.1 成果展示

本次實(shí)驗(yàn)的建模區(qū)域?yàn)槿A北理工大學(xué)D區(qū)教學(xué)樓，具體成果如圖3。圖3b為點(diǎn)云圖，包括控制點(diǎn)與自動(dòng)連接點(diǎn)。圖3c為空三計(jì)算后構(gòu)成的不規(guī)則三角網(wǎng)，稱之為TIN模型，能在表示不同地物時(shí)達(dá)到較好的效果，并能表示地形起伏復(fù)雜的區(qū)域。

3.2 精度評(píng)定

空中三角測(cè)量是傾斜影像數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵一步，空三精度決定了后面建模的質(zhì)量。因此，對(duì)空三完成后的報(bào)告進(jìn)行分析評(píng)價(jià)可直觀感受模型的品質(zhì)。本文以中誤差作為衡量模型精度質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 實(shí)驗(yàn)區(qū)空三精度

圖3 三維模型成果

由表2可知,中誤差中，X坐標(biāo)為0.016m，最小為0.002m，最大值為0.016m；Y坐標(biāo)為0.002m，最小為0.00m，最大誤差為0.005m；平面和高程中誤差分別為0.016和0.015m；重投影和3D誤差分別為0.43px和0.016m。中誤差各值皆小于1個(gè)像素，且分辨率范圍0.026～0.039m，本次空三加密過(guò)程良好。

3.2.1 模型整體精度評(píng)價(jià)

將野外實(shí)測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)與三維模型量測(cè)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)求取中誤差，評(píng)定三維模型的平面中誤差和高程中誤差，其中，1∶500成圖比例尺外業(yè)和非外業(yè)平面精度分別為0.3m和0.5m，1∶1000、1∶2000、1∶5000精度分別為0.8m、1.4m、3.5m；表3為地形精度規(guī)范，表4為模型檢查點(diǎn)坐標(biāo)。

表3 地形精度規(guī)范

表4 模型上檢查點(diǎn)坐標(biāo)

在生成的三維模型上量測(cè)12個(gè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，X方向中誤差為0.052m，Y方向?yàn)?.038m，平面為0.064m，高程中誤差為0.026m。平面中誤差小于0.5m，高程中誤差小于0.37m，因此生成的三維模型精度達(dá)到1∶500比例尺測(cè)圖精度。

3.2.2 模型高度精度評(píng)價(jià)

為了避免生成的三維模型與真實(shí)地物差距偏大，因此對(duì)模型中的地物高度和實(shí)際測(cè)量高度進(jìn)行精度評(píng)定。高度精度規(guī)范中，1∶500外業(yè)和非外業(yè)調(diào)繪分別為0.5m和0.8m；1∶1000和1∶2000精度為1m和2m。模型高度精度分析方法是將模型量測(cè)值與實(shí)測(cè)采集到的地物高度真值求高差并計(jì)算中誤差，得到模型高度精度。地物高度用高精度全站儀測(cè)量記錄，選點(diǎn)多為D區(qū)建筑物，主要為樓房高度，窗沿距離地面的高度，低矮房屋高度等。表5為模型高度統(tǒng)計(jì)表。

表5 模型高度統(tǒng)計(jì)表

3.2.3 模型長(zhǎng)度精度評(píng)價(jià)

本文采用模型量測(cè)距離與RTK采集固定點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出的2點(diǎn)間的長(zhǎng)度，求差值并獲得中誤差。主要選取了街道寬度、樓房邊長(zhǎng)、草坪邊長(zhǎng)等幾類地物，表6為邊長(zhǎng)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表。

表6 模型長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表

本次模型長(zhǎng)度中誤差為0.173m，最大誤差為0.27m，最小誤差為0.02m。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)建模方法相比，使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建模的時(shí)間被大大縮減，均達(dá)到《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以投入實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)將實(shí)景三維地形圖應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ钪杏幸欢ǖ耐苿?dòng)作用。