仿地飛行技術在山區大比例尺地形圖測繪中的應用研究

鄭朝峰，王東野

（浙江海測科技有限公司，浙江 杭州 310051）

數字線劃圖是航空攝影測量4D 產品重要的組成部分，在實際生產規劃中有著很多用途。傳統的地形圖生產是利用GPS-RTK 進行全野外作業，并在采集坐標時繪制草圖，完成數據采集后，在CASS 等軟件中將草圖和采集的坐標進行矢量化。傳統的地形圖生產方式由于作業效率低，精度的高低和采集坐標的密度呈正相關，已經無法滿足實際需求。隨著無人機垂直攝影測量技術的出現，采用無人機進行影像數據的獲取，利用攝影測量軟件進行空中三角測量解算和虛擬立體環境測圖成為了主流的地形圖生產方式，但是這種方式采集影像時無人機飛行高度是不變的，這樣在地形起伏變化大的區域采集影像時，獲取的影像分辨率差異大，空三解算精度不均勻，導致最終的成果在分辨率低的區域容易出現精度超限問題，而且獲取的影像視角單一，遮擋嚴重，外業工作量相對來說也不小[1-4]。

針對這種問題，本文分析了仿地飛行和傾斜攝影測量技術后，提出將二者結合用于山區大比例尺地形圖生產的作業方案，并通過實地采集的檢測點進行精度檢測。檢測結果表明：采用本文方案生產的地形圖，其精度可以滿足1∶2 000 地形圖航空攝影測量內業規范地形圖精度要求，并且精度均勻，內業可用的影像信息更加豐富。較垂直攝影測量來說，外業工作量明顯下降，降低了作業成本，提升了數據生產效率，具有一定的實用性和借鑒性。

1 仿地飛行技術

仿地飛行是一種高度隨著數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）變化而變化的航空飛行技術，這種飛行技術能夠始終保證飛行高度與DSM 之間的高度是一致的。相機焦距、航高、像元大小和影像分辨率之間的關系為

其中：GSD 為影像地面分辨率；H 為相對航高；a為像元大小；f 為焦距。

由式（1）可知，當航攝高度一致時，同一款相機其獲取的影像地面分辨率是相同的[5-6]。影像航向、旁向重疊度和航高有關，當航高與地面之間的高度固定時，其航向、旁向的影像重疊度也是一致的，這樣保證了后續空三解算時精度是均勻的。

2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是指飛行平臺在作業時，搭載傾斜設備，在空中對地面從多個角度進行影像數據采集，并利用攝影測量軟件完成影像數據的解算，生產測繪產品的技術。通常飛行平臺有固定翼無人機和多旋翼無人機，固定翼無人機續航時間長，作業效率高，但是相對多旋翼無人機來說，飛行高度較高，獲取的影像分辨率較低；多旋翼無人機較固定翼無人機而言，可以飛行更低，獲取的影像分辨率更高，但是作業效率低。

傾斜攝影是可以搭載多種鏡頭的傾斜相機，以固定五鏡頭相機為例，其由1 個下視相機和4 個側視相機組成。下視相機從空中垂直地面進行影像數據的采集，其獲取的主要是建筑物頂部信息；側視相機則是從空中以一定的傾斜角度對地面進行影像數據的采集，其獲取的主要是建筑物側面信息，是對垂直攝影盲區影像數據的補充[7-9]。通過對不同傾斜角度下獲取的影像數據信息豐富度、成果精度分析可知，當傾斜相機與垂直相機的夾角為45°時，獲取的影像信息最為豐富，數據解算精度也最高。

3 傾斜攝影仿地飛行作業流程

利用仿地飛行和傾斜攝影測量技術進行山區大比例尺地形圖的生產，其主要包括像控點的布設與采集、高精度DSM 數據的獲取、仿地航線規劃、影像數據采集、實景三維模型生產、大比例尺地形圖制作、成果精度檢測統計等，具體傾斜攝影仿地飛行作業流程見圖1。

圖1 傾斜攝影仿地飛行作業流程

4 案例分析

1）測區勘察與資料收集。本次任務區位于山區，測區面積13.2 km2，范圍內高差約500 m，如采用傳統固定航高攝影測量的話，獲取的影像分辨率差異大，在范圍內的高處重疊度低，在低處重疊度高，會導致空中三角測量精度較差，生產的地形圖成果精度不均勻，甚至超限。在分析了地形后，決定采用傾斜攝影和仿地飛行技術進行數據的采集和地形圖的生產。仿地飛行需要高精度的DSM 數據，本次通過資料收集獲取了任務區已有的垂直影像數據，現勢性較強。利用Pix4D 軟件進行數據解算，得到了精度較高的DSM 數據成果，可以作為仿地飛行航線規劃的參考數據，為本次作業方案的順利實施提供了保障。

2）像控點布設與采集。首先將任務區范圍線導入LSV 軟件中，再按1 000 m 的間隔均勻布設像控點，最后將布設好的點位導出為標記語言（Keyhole Markup Language，KML）文件，提供給外業采集像控點的作業人員。外業人員將KML 文件導入到奧維互動地圖APP 軟件中，通過導航找到實際點位后，進行像控點坐標數據的采集。為了提升內業像控點轉刺精度，本次像控點點位采用邊長為1 m 的紅色油漆噴涂的L 形靶標，每個點位采集為3 次，且多次較差均要求在2 cm 之內，取平均值作為像控點最終的坐標值。為了對地形圖成果精度進行檢測，按照同樣的采集方式，在空三精度薄弱區域隨機采集30 個特征檢查點。

3）仿地航線規劃與影像數據獲取。將獲取的DSM 數據導入到Waypoint Master 航跡大師軟件中進行仿地航線的規劃。設置地面影像的分辨率為13 cm，航向重疊度為85%，旁向重疊度為80%，航向外擴2 條基線長度，旁向外擴1 條航帶，以確保任務區邊緣獲取的影像數據完整，得到完整的實景三維模型成果。將規劃好的航線上傳飛行控制系統，在確保飛行環境安全時，完成無人機的起飛與影像數據采集工作。通過人機交互方式，對影像的表征質量、色調、反差、對比度、影像和POS 的完整性進行檢查。經檢查，本次采集的成果質量符合相關規范，成果可用。

4）空中三角測量解算。空中三角測量解算是攝影測量最為核心的一個步驟，通過共線方程，恢復了航攝像片與地面點的對應關系，通過像控點的平差調整，將相對定向的加密點成果轉換到目標坐標系統下。空中三角測量解算的精度主要與輸入的參數有關，為了確保數據解算精度高，利用少量的影像對相機參數進行了優化，并結合五鏡頭相機安置參數，以下視相機POS 為基準，對側視鏡頭POS數據進行了解算，得到高精度的相機參數和POS 數據。利用ContextCapture 三維實景建模軟件進行空中三角測量解算，本次空三加密點重投影中誤差為0.31 像素，控制點三維中誤差為0.051 m，空三加密成果精度符合相關規范，可直接用于后續三維模型的生產。

5）實景三維模型生產。以空三加密成果為基礎，先利用多視影像密集匹配算法完成密集點云的匹配，并得到不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）成果，利用直接法將紋理準確的映射到三角網上，得到的紋理逼真細膩，符合實際情況的實景三維模型成果。在數據分塊生產時，結合電腦配置，本次瓦片劃分方式選擇規則平面格網，大小設置為100 m×100 m，格式選擇OSGB，其他參數默認，提交任務，完成三維模型數據的生產。

6）山區大比例尺地形圖制作。本次地形圖生產利用EPS 軟件完成。加載OSGB 模型和XML 文件，得到EPS 軟件中可以使用的DSM 索引文件，并按照地形圖采集要求完成本次地形圖的生產。為了提升作業效率和成果質量，本次采集四邊規則房屋時，使用“四點房”命令可以快速繪制規則房屋。采集等高線時，先在植被覆蓋區域通過“淹沒”的方式獲取等值面，再進行等高線采集；在植被稀少、裸露區域，通過自動提取高程點，利用高程點生成等高線的方式進行等高線數據的采集。對于模型不完整，無法準確采集的區域，外業進行補充測繪，通過內業定位、外業定性的內外業相結合作業方式，得到最終的地形圖成果。

7）精度檢測統計與分析。利用采集的30 個特征檢查點，對本次成果精度進行檢測，部分檢測結果見表1。通過對檢測點精度進行統計分析，本次地形圖成果平面精度最大較差為0.712 m，高程較差最大為1.018 m。采用同精度中誤差計算公式可得到本次30 個點的平面位置中誤差為±0.368 m，高程中誤差為±0.521 m，成果精度均符合1∶2 000 地形圖精度規范要求。

表1 地形圖精度檢測統計表

5 結束語

本文介紹了仿地飛行和傾斜攝影測量技術，并將二者結合用于山區大比例尺地形圖的生產。通過外業實地采集的特征點對本次生產的山區大比例尺地形圖精度進行檢測，由檢測結果可知，本文提到的作業方案生產的山區地形圖，其精度均勻，可以滿足1∶2 000 地形圖精度規范要求，并且充分利用了傾斜攝影多視角度影像，減少了外業補充測繪工作量，提升了數據生產效率，具有一定的實用性和可推廣性。