傾斜攝影仿地飛行技術(shù)在山地地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用研究

代明 劉曉文 吳英梅

摘 ?要：針對(duì)傳統(tǒng)固定航高條件下在山地飛行時(shí)獲取的影像分辨率差異大，所生產(chǎn)的地形圖精度易超限、不均勻的問題，文章提出采用仿地飛行技術(shù)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)獲取，并在生成的實(shí)景三維模型上采集地形圖的作業(yè)方案。此外，利用外業(yè)采集的檢查點(diǎn)對(duì)文章得到的地形圖精度進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，采用傾斜攝影仿地飛行技術(shù)生產(chǎn)的地形圖精度均勻，可以滿足山地1：2 000大比例尺地形圖精度的要求。

關(guān)鍵詞：仿地飛行；傾斜攝影；實(shí)景三維模型；地形圖；地形圖精度

中圖分類號(hào)：TP39；P231 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）16-0121-04

Research on the Application of Oblique Photography and Ground Simulation Flight Technology in Mountain Terrain Mapping

Dai Ming1， LIU Xiaowen2， WUYingmei3

（1.Geological Survey of Gansu Province， Lanzhou ?730030， China; 2.Shandong Guangyuan Geotechnical Engineering Survey Co.， Ltd.， Yantai ?264000， China; 3.Shandong Nuclear Industry 273 Geological Brigade， Yantai ?264006， China）

Abstract： In response to the problem of large differences in image resolution obtained during traditional fixed altitude flying in mountainous areas， as well as the tendency for the accuracy of terrain maps produced to exceed limits and be uneven， this paper proposes to use ground simulation flying technology to obtain oblique image data and collect terrain maps on the generated realistic 3D model. In addition， the accuracy of the terrain map obtained in the paper is checked using checkpoints collected from field work. The results indicate that the terrain map produced using oblique photography and ground simulation flight technology has uniform accuracy and can meet the accuracy requirements of large-scale terrain maps in mountainous areas with a scale of 1：2 000.

Keywords： ground simulation flight; oblique photography; realistic 3D model; terrain map; terrain map accuracy

0 ?引 ?言

地形圖也被稱為數(shù)字線劃圖（Digital Line Graphic， DLG），是航空攝影測(cè)量4D產(chǎn)品的重要組成部分，在實(shí)際生產(chǎn)生活中有著非常多的用途。傳統(tǒng)的地形圖是全野外作業(yè)，采集相當(dāng)多的坐標(biāo)點(diǎn)，然后內(nèi)業(yè)再連點(diǎn)成圖。這種作業(yè)方式，其成果精度直接和測(cè)點(diǎn)的數(shù)量呈正相關(guān)，又和作業(yè)效率呈負(fù)相關(guān)。要想精度高，只能多采集點(diǎn)，導(dǎo)致作業(yè)效率低，而且全野外作業(yè)，成本高，風(fēng)險(xiǎn)性高。隨著無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，采用無人機(jī)航空攝影測(cè)量方式生產(chǎn)地形圖成為主流。由于是固定航高飛行，這種方式生產(chǎn)的地形圖，其精度和地形有關(guān)。在平坦區(qū)域，其精度基本上一致，在山地高山地區(qū)域，其精度不均勻，在影像分辨率低的區(qū)域容易出現(xiàn)成果精度超限的問題[1-3]。針對(duì)這種地形圖成果精度不均勻的問題，文章分析了像控點(diǎn)布設(shè)、空三加密等環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)其精度主要和影像分辨率有關(guān)。在固定航高航飛時(shí)，低處區(qū)域獲得的影像分辨率低，高處區(qū)域獲得的影像分辨率高，導(dǎo)致匹配加密點(diǎn)時(shí)，提取的加密點(diǎn)精度不統(tǒng)一，后期生產(chǎn)的地形圖精度不均勻[4]。為了解決這一問題，提出采用傾斜攝影仿地飛行技術(shù)來進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的獲取，然后進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)空三加密，并轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)、平差，得到精度符合相關(guān)規(guī)范的空三成果后，直接生產(chǎn)三維模型。并基于裸眼測(cè)圖技術(shù)，直接在三維模型，按照1：2 000地形圖相關(guān)要求，采集地形圖。最后用外業(yè)采集的特征檢查點(diǎn)，對(duì)地形圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：采用本文方法生產(chǎn)的地形圖，其精度均勻，未出現(xiàn)超限值，整體誤差符合正態(tài)分布曲線，并且內(nèi)業(yè)作業(yè)效率高，生產(chǎn)成本低，具有一定的實(shí)用性，可為山地大比例尺地形圖的生產(chǎn)帶來借鑒。

1 ?傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量不同于垂直攝影測(cè)量，是近年來迅速發(fā)展的一種新型測(cè)繪技術(shù)。其較垂直攝影測(cè)量來說，搭載的相機(jī)數(shù)量更加多，姿態(tài)更加靈活。垂直攝影測(cè)量，只搭載一個(gè)相機(jī)，在作業(yè)時(shí)垂直于地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取。傾斜攝影搭載多個(gè)相機(jī)，而且可以不搭載垂直相機(jī)，如武漢大勢(shì)智慧的搖擺2鏡頭相機(jī)。傾斜攝影相機(jī)的搭載，通常是從多個(gè)角度對(duì)地面物體進(jìn)行拍攝，這樣就可以獲取豐富的地面物體側(cè)面紋理信息，更有利于后期數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用。以5鏡頭傾斜相機(jī)為例，其由“1+4”組合而成，1指一個(gè)下視相機(jī)，4指4個(gè)側(cè)視相機(jī)。側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)夾角為45度。在攝影測(cè)量中，相對(duì)航高、焦距、地面分辨率和像元大小存在式（1）的關(guān)系：

GSD = H×a / f ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中GSD是地面影像分辨率，H是相對(duì)航高，a是像元大小，f是相機(jī)焦距。為了提升數(shù)據(jù)解算的準(zhǔn)確度，一般在數(shù)據(jù)解算時(shí)，要求輸入的數(shù)據(jù)像元大小相同，分辨率基本一致，而由式（1）和5拼相機(jī)可知，側(cè)視相機(jī)的相對(duì)航高是下視相機(jī)的1.41倍，要想保持影像分辨率一致，則要保證側(cè)視相機(jī)焦距是下視相機(jī)焦距的1.41倍。為了解決這一問題，5拼相機(jī)在組裝時(shí)，都會(huì)人為調(diào)整焦距，保證側(cè)視和下視之間的倍數(shù)關(guān)系。

2 ?仿地飛行技術(shù)

隨著飛控技術(shù)和導(dǎo)航精度的不斷提高，仿地飛行技術(shù)發(fā)展迅速。仿地飛行技術(shù)主要是借助高精度的數(shù)字表面模型（DSM）來完成的，這就需要在仿地飛行前，首先得到任務(wù)區(qū)內(nèi)精度較高的DSM數(shù)據(jù)[5]。仿地飛行是指在航飛的過程中，飛機(jī)距離地面的高度始終是固定的，由式（1）可知，這種條件

下，航攝得到的影像，其分辨率基本上是一致的，這就能保證后期成果精度是均勻的。仿地飛行示意圖如圖1所示。

3 ?作業(yè)流程

傾斜攝影仿地飛行在地形圖測(cè)繪中的流程主要包括DSM數(shù)據(jù)收集、航線規(guī)劃、像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量、影像數(shù)據(jù)航飛、傾斜攝影空中三角測(cè)量、實(shí)景三維模型生產(chǎn)，具體作業(yè)流程如圖2所示。

4 ?項(xiàng)目案例

某區(qū)域位于山區(qū)，高差800 m左右，要采集1： 2 000地形圖。為了保證生產(chǎn)的地形圖精度均勻，本次擬采用傾斜攝影仿地飛行進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的獲取，然后生產(chǎn)三維模型，利用EPS軟件采集地形圖。首先對(duì)任務(wù)區(qū)的資料進(jìn)行了收集，收集到了現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的5 m分辨率的DSM數(shù)據(jù)，可作為本次仿地飛行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于仿地飛行航線的規(guī)劃。

4.1 ?像控點(diǎn)布設(shè)預(yù)測(cè)量

本次按照800 m的間隔均勻布設(shè)像控點(diǎn)，并在拐角處對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行加密布設(shè)。布設(shè)底圖為下載的遙感衛(wèi)星影像，在遙感影像上將點(diǎn)位布設(shè)好后，打印出來，然后規(guī)劃好像控點(diǎn)測(cè)量路線，這樣可以避免像控點(diǎn)漏測(cè)，提升像控點(diǎn)測(cè)量效率。利用GPS-RTK進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)，桿子豎直，每個(gè)點(diǎn)位采集多次，每次平滑多次，然后在固定解狀態(tài)下進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，同一點(diǎn)多次測(cè)量值較差小于1 cm時(shí)，取平均值作為最終測(cè)量值。為了便于內(nèi)業(yè)快速找到準(zhǔn)確的點(diǎn)位，在測(cè)量像控點(diǎn)時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行拍照，照片需包含1張近景，2張不同視角的遠(yuǎn)景，便于通過周邊地物準(zhǔn)確判斷像控點(diǎn)點(diǎn)位。以同樣的方式，在測(cè)區(qū)精度薄弱區(qū)域，隨機(jī)采集30個(gè)特征檢查點(diǎn)，用于后期地形圖成果精度的檢測(cè)。

4.2 ?仿地飛行航線規(guī)劃

與傳統(tǒng)的航線規(guī)劃相比，仿地航線規(guī)劃增加了精細(xì)DSM文件的導(dǎo)入，在生成航線展點(diǎn)時(shí)，每個(gè)展點(diǎn)的高程值是DSM文件對(duì)應(yīng)位置的高程值加上飛行相對(duì)航高。本次仿地航線規(guī)劃，選用Wappoint master軟件來完成，具體的參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

4.3 ?傾斜攝影影像獲取

在完成航線規(guī)劃任務(wù)后，將規(guī)劃好的航線上傳飛控，并由飛控控制完成無人機(jī)的起飛以及影像數(shù)據(jù)的采集。在起飛前，通過地面試拍，對(duì)內(nèi)存卡、相機(jī)、電池等設(shè)備進(jìn)行了檢查，確保都是正常工作狀態(tài)。在航飛的過程中，通過返回的視頻查看無人機(jī)航飛狀態(tài)，確保飛機(jī)工作狀態(tài)正常。完成影像數(shù)據(jù)的采集后，通過人機(jī)交互方式，對(duì)航攝得到的影像成果進(jìn)行查看。影像對(duì)比度明顯，無曝光、無穿云，地物分辨率符合設(shè)計(jì)要求，POS數(shù)據(jù)和下視影像對(duì)應(yīng)完整，成果質(zhì)量良好可用。

4.4 ?空三加密及平差調(diào)整

本次傾斜數(shù)據(jù)解算采用Context Capture Center軟件。為了保證軟件中導(dǎo)入的影像無重名問題，本次利用拖把更名器對(duì)影像和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行重命名，并將更名后的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，手動(dòng)填寫每個(gè)相機(jī)鏡頭的焦距。設(shè)置集群環(huán)境路徑，按照軟件默認(rèn)的參數(shù)，提交空三任務(wù)，設(shè)置引擎路徑并運(yùn)行引擎。在自由網(wǎng)空三完成后，查看空三加密成果，無分層、彎曲、丟片等問題，成果質(zhì)量良好。部分空三加密成果如圖4所示。設(shè)置像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，將外業(yè)采集的像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺到空三中，在轉(zhuǎn)刺時(shí)，對(duì)于點(diǎn)位位于影像邊緣的點(diǎn)不轉(zhuǎn)刺，這樣可以避免影像邊緣畸變大對(duì)整個(gè)空三精度帶來的影響，提升空三加密成果的精度。按照軟件默認(rèn)的參數(shù)再次提交平差任務(wù)，在完成平差調(diào)整后，查看空三報(bào)告，像控點(diǎn)點(diǎn)位平面、高程均優(yōu)于5 cm，空三成果精度良好，可直接用于后續(xù)三維模型的生產(chǎn)。

4.5 ?三維模型生產(chǎn)

在平差合格后的空三成果基礎(chǔ)上，提交重建任務(wù)，設(shè)置重建框架，框架坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置和像控點(diǎn)相一致。對(duì)于大面積區(qū)域三維模型的生產(chǎn)，選擇瓦片劃分方式為規(guī)則平面格網(wǎng)，這樣便于后期瓦片的挑選。結(jié)合集群電腦的內(nèi)存配置，本次設(shè)置瓦片大小為200 m×200 m，不宜設(shè)置過大，避免在運(yùn)算時(shí)，由于內(nèi)存溢出而導(dǎo)致建模失敗。為了充分利用原始影像的分辨率，紋理貼圖質(zhì)量選擇100%。模型輸出坐標(biāo)系和像控點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，模型格式選擇OSGB，其余設(shè)置默認(rèn)，提交三維模型重建任務(wù)，完成三維模型的生產(chǎn)。

4.6 ?地形圖采集

本次地形圖采集使用EPS軟件。首先新建工程，選擇1：2 000數(shù)據(jù)庫模板，在三維測(cè)圖模塊，加載OSGB格式的三維模型和對(duì)應(yīng)的原點(diǎn)中心xml文件，軟件可以快速得到DSM文件，加載DSM文件，按照地形圖測(cè)繪要求，完成1：2 000地形圖的生產(chǎn)。在采集高程點(diǎn)時(shí)，對(duì)于地面植被稀少的裸露區(qū)域，勾選范圍，設(shè)置高程點(diǎn)的距離，然后軟件自動(dòng)提點(diǎn)；對(duì)于植被密集區(qū)域，高程點(diǎn)則需要手動(dòng)采集。在采集等高線時(shí)，對(duì)于植被稀少區(qū)域，可以使用高程點(diǎn)生成等高線；對(duì)于植被密集區(qū)域，高程點(diǎn)數(shù)量少，無法準(zhǔn)確得到等高線，此時(shí)可使用淹沒功能，設(shè)置高程值，然后對(duì)同高程下的區(qū)域進(jìn)行采集，然后調(diào)整高程值，再次進(jìn)行等高線的采集。如圖5所示，在EPS軟件中，基于實(shí)景三維模型，在未戴立體眼鏡的環(huán)境下采集地形圖。

5 ?精度檢測(cè)與評(píng)定

利用外業(yè)采集的30個(gè)檢查點(diǎn)，對(duì)本次生產(chǎn)的地形圖，從平面和高程兩方面進(jìn)行了檢測(cè)，部分檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

其中DX和DY代表在X方向和Y方向上的分量差值，DS代表檢測(cè)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的地形圖上的點(diǎn)之間的距離，DZ代表在高程方向上的較差。本次30個(gè)檢查點(diǎn)無粗差點(diǎn)，利用同精度中誤差計(jì)算公式[6]，對(duì)30個(gè)檢查點(diǎn)的中誤差進(jìn)行計(jì)算，得到其平面點(diǎn)位中誤差為±0.714 m，高程中誤差為±0.651 m，精度符合GB/T 7931—2008中相關(guān)要求。

6 ?結(jié) ?論

本文采用傾斜攝影仿地飛行技術(shù)，對(duì)某一山區(qū)進(jìn)行了航空攝影測(cè)量，生產(chǎn)了1：2 000比例尺地形圖。利用外業(yè)采集的特征檢查點(diǎn)，對(duì)本次獲得的地形圖精度進(jìn)行了檢測(cè)統(tǒng)計(jì)。對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析，本次生產(chǎn)的地形圖精度均勻，無超限點(diǎn)位，整體成果質(zhì)量良好，符合1：2 000地形圖規(guī)范要求，本文的仿地飛行技術(shù)可以為山地地形圖的測(cè)繪帶來借鑒。

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作者簡介：代明（1987—），男，漢族，湖北仙桃人，工程師，本科，主要研究方向：地理信息系統(tǒng)和測(cè)繪。