分層航攝在峽谷溝道地形圖測繪中的應用效果

楊昆侖，彭方輝，武換咪

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

傾斜攝影技術是從垂直、傾斜等不同角度采集影像,獲取地面物體更為完整準確的信息。隨著小型低空無人機的快速發展,搭載高分辨率數碼相機,使得低空無人機航攝技術在大比例尺地形圖測繪方面得到廣泛的應用,因其具有方便快捷、成本低、工作量小、反應迅速等特點,使得它在小區域、地形條件復雜、人難以到達等地區的高分辨率影像獲取方面具有明顯優勢,成為對傳統航空攝影測量技術的有效補充[1]。

分層航攝是建立在航攝分區的基礎上,航攝分區主要由地形高差、地物景物反差、地貌類型及航攝飛機側前方安全距離與安全高度等因素確定,分層航攝是在分區的基礎上,為了確保航攝影像的地面分辨率而在不同高度層上的航攝,可以在不同分區或同一分區內使用不同的相對航高來實現分層的目的。

目前對于地形復雜的小區域地形圖測繪通常會采用小型無人機傾斜攝影測量方法。小型無人機所搭載的相機鏡頭焦距一般較小,為了達到大比例尺地形圖所需的地面分辨率,需要飛行的相對航高較小,帶來較大安全隱患,因此需要進行分區域,分高度進行航攝,以確保每個分區內有效航攝區域地面分辨率滿足規范要求。針對陜西省咸陽市彬州市公劉教稼苑景區防護工程測量項目中的峽谷溝道1∶500地形圖測繪,采用的分區分層航攝的方法確保了地面分辨率達到0.05 m,滿足1∶500 比例尺地形圖航測要求。

1 項目概況

公劉教稼苑景區位于陜西省咸陽市彬州市城東45 km 處的龍高鎮土陵村涇河左岸的山谷之間,為省級重點文物保護單位。公劉教稼苑景區防護工程是東莊水利樞紐工程的一部分,工程位于涇河左岸土陵溝內,距東莊水庫壩址上游約54 km 處,防護整治段溝道長約1 km,設計防護堤線起點位于土陵溝與布村溝交匯處下游約500 m,終點位于土陵溝底789.50 m 高程處。本次整治段溝道需測繪1∶500 地形圖,溝道最低高程740 m,梁頂高程900 m,溝道最窄 距離80 m,深度90 m,屬于峽谷溝道地形。

2 航攝外業

2.1 航攝地面分辨率及航攝分區

2.1.1 地面分辨率

低空數字航空攝影規范[2]中規定1∶500 地形圖地面分辨率應優于0.05 m。

2.1.2 航攝分區

結合本項目地形條件,在保證有效地面分辨率優于0.05 m的條件下進行進行航攝分區,采用以下公式（1）確定相對航高,計算各攝區最高點、最低點及起飛點的地面分辨率（詳見表1）。

表1 相對航高及地面分辨率

式中：H 為航高,m；f 為鏡頭焦距,mm；GSD 為地面分辨率,m；a 為像元尺寸,mm。

該項目使用的大疆精靈4 PRO 無人機的自帶相機, f=8.8 mm,a=2.41μm。地面分辨率優于0.05 m,因此,航高最大為183 m,根據地形高差及最大航高對該攝區進行分區,共分為5 個分區。

2.2 航攝重疊度

低空數字航空攝影規范[2]中規定航向重疊度一般應為60%～80%；旁向重疊度一般應為15%～60%。由于本測區為峽谷溝道地形,結合項目中的實踐經驗,航向設計為80%,旁向設計為70%。根據各攝區的地形高差,按照公式“最高點重疊度=重疊度+（1-重疊度）×（基準面-最高點）/相對航高”計算出最高點的最小航向重疊度為70%,旁向重疊度最小為54%,均滿足規范要求。見表2。

表2 各分區航攝統計表

2.3 像控布設與測量

2.3.1 像控點布設

根據規范要求及航線規劃等因素,結合項目生產實際經驗,像控點按照航向及旁向300 m 為間距在各交點處布設。測區內共布設像控點20 個（見圖1）。

圖1 測圖范圍及像控點布設圖

2.3.2 像控點地面標志制作

像控點均在實地制作地面標志,標志以白灰（或白色布條）制作在地面空曠處。形狀為“L”形,線條單邊長度為0.6 m,寬度為0.2 m,測量的位置為“L”形外角拐點。見圖1。

2.3.2 像控點測量

采用RTK 的作業方法按圖根級精度進行測量。

2.4 航攝

采用大疆精靈4PRO 無人機（搭載自帶相機）獲取傾斜和正射影像,采用DJI Pilot 軟件系統進行航攝任務規劃設計及飛行控制,航攝分為5 個分區,飛行15 個架次（5 個正射方向,10 個傾斜方向,傾斜角度為-60°）。分區1 和2 是在較高分層上對測區范圍的整體航攝,相對航高為200 m（分區2 為180 m）,可確保土陵溝溝邊及以上區域的地面分辨率達到0.05 m 以上,分區3、4、5 作為土陵溝溝邊及以下區域的航攝,相對航高為100 m,可確保最低溝心位置的地面分辨率達到0.05 m 以上,見圖2。各分區相對航高及地面分辨率見表1。外業航攝完成后統計出各分區的航攝參數,見表2。

圖2 分區航攝航跡示意圖

3 航攝內業

3.1 空三平差

采用光束法局域網平差方法進行空三計算。使用ContextCapture Master 軟件進行內業數據處理,主要包括新建工程、加載影像數據、提交自由網空三解算、加入像控點空三解算并生成空三平差報告。平差后基本定向點水平殘差最大點為0.021 m,小于限差±0.15 m；垂直殘差最大點為0.014 m,小于限差±0.23 m,均符合規范[3]要求。圖3 為分層航攝空三平差3D 視圖。

圖3 分層航攝空三平差3D 視圖

3.2 實景三維模型及正射影像圖（DOM）生產

建模處理工作站采用并行GPU 框架硬件。輸出的三維模型格式為：3 MX 和OSGB。為提高數據生產速度,可將攝區分割成多個瓦片進行處理。按分塊的三維模型制作DOM,每塊按4096×4096 像素大小輸出DOM 瓦片。輸出的DOM格式為TIFF。圖4 為三維模型示意圖。利用像控點的地面標志在三維模型中對應位置量取到三維坐標,與像控點成果進行比較計算,利用其差值計算出基于像控點的平面位置中誤差和高程中誤差。見表3。

表3 基于像控點的三維模型精度統計表

圖4 三維模型示意圖

3.3 地形圖編繪

使用CASS10.1 軟件加載CASS_3D 模塊后,再添加三維模型進行地物信息繪制,高程點數據采集,使用高程點構網生成等高線,基本等高距為1 m。最終進行地形圖編輯與整飾。圖5 為整飾完成的地形圖局部裁剪圖。利用75 個實測地形點對地形圖圖幅等高線高程中誤差進行了統計,統計結果為：地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.16 m,滿足規范中的限差±0.5 m 要求。

圖5 1:500 數字地形圖成果

4 結論

文中以公劉教稼苑景區防護工程1∶500 地形圖測繪為例,對分層航攝方法進行了闡述,分層航攝的目的是為了確保航測地形圖中地面分辨率這一至關重要的因素能夠滿足規范要求。案例項目中地形復雜,屬于峽谷地形。分區1 和2 分別在絕對航高1036 m 和1016 m 的高度層上進行了航攝,兩個分區對測區進行了完整的航攝,但溝邊及以下區域的地面分辨率已經超過了0.05 m,分區3、4、5 在絕對航高936 m 的高度層上對溝邊及以下區域進行了航攝,保證了溝邊及以下區域的地面分辨率達到0.05 m。通過5 個分區3 各高度層的航攝,確保了有效地形圖測繪范圍內的地面點地面分辨率均達到了0.05 m。

航攝內業空三平差后基本定向點水平殘差最大點為0.021 m,垂直殘差最大點為0.014 m；基于像控點的三維模型平面位置中誤差為±0.048 m,高程注記點中誤差為±0.045 m；利用RTK 實測地形點統計到地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.16 m。以上精度指標均符合規范要求,表明采用分層航攝方法可以保障峽谷溝道地形圖航測精度。