傾斜攝影和LiDAR技術融合在大比例尺地形圖測繪中的應用

任 苗 胡 兵 劉 璇

（江西省自然資源測繪與監測院，江西 南昌 330002）

0 引言

數字線劃圖是國家基礎地理信息數字成果主要組成部分［1］。大比例尺地形圖包含重要的基礎地理信息，在國土規劃、工程施工測量以及房產測繪等方面應用廣泛［2］。國內傳統大比例尺地形圖測繪方法一般采用全野外數字測圖方式。但該方法外業工作量大，效率不高，而且需考慮衛星信號問題，在省界周邊衛星信號較弱的地區影響較大，再者在建筑遮擋或植被茂密處也難以保證成果精度和作業效率［3］。

傾斜攝影方法是一種新型測繪手段，已經廣泛應用于新型基礎測繪工作。這種技術主要通過三維建模再進行立體量測，獲取所需信息應用于各行各業［4］。該方法效率高，能夠獲取高分辨率數據并且具有高真實性與可視化效果，而且成本低，但是該方法在地形起伏大、植被茂盛地區建模效果不理想，影響后續測圖［5-9］。激光雷達（light detection and ranging，LiDAR）點云技術是一種主動式遙感技術手段，將激光器作為發射光源，采用光電探測技術手段，可以透過植被，直接采集地面數據，在植被茂盛地區可以高效率地采集地表數據［10-11］。

本文結合傾斜攝影和LiDAR 點云兩種技術，針對江西省撫州市比亞迪廠區二期地形圖測繪項目，探討了傾斜攝影和LiDAR 技術融合方法測圖：非房屋區域采用機載激光雷達航測技術、房屋區域采用傾斜攝影測量航測技術成圖方法，為后續同類型測制大比例尺地形圖項目積累了工程實踐經驗。

1 技術原理

1.1 傾斜攝影測量方法

傾斜攝影測量方法是通過在同一飛行平臺上搭載多個攝像頭，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，結合飛行平臺搭載的定位系統獲取實時定位數據，輔助必要的地面控制點，對影像進行自動化處理，獲取實景三維模型成果的先進技術［12］。

該技術對無人機起降場要求較低，飛行相對航高要求也較低，同時操作容易，設計方案靈活，作業周期不長，機動性強，可大大降低高額的三維建模成本。特別是針對農村房屋建筑，由于農村地區房屋普遍不高，大多為低層建筑，因此依據傾斜攝影方法建立的三維模型，能夠清晰采集地形圖中的房屋建筑等地物要素。但是在植被茂密地區由于經常出現遮擋壓蓋情況，因此對地物判別存在較大影響。

1.2 機載激光雷達技術

機載LiDAR 是一種全新的空間測量系統，它包含激光、全球定位系統和慣性導航系統，該系統一般由激光測距儀以及導航設備組成［13］。機載LiDAR 精度較高，因此用于地形圖測繪能夠提高地形圖測量數據精度，同時激光點云在植被茂密地區能夠有效穿透植被層，獲取真實的地表數據。但是激光點云精度過高，與其他遙感數據會產生融合困難的問題，且數據量大，成本較高。

1.3 傾斜攝影和LiDAR技術融合優勢

傾斜攝影測量方法獲得的實景三維模型成果真實，且具有豐富的紋理信息；LiDAR 點云數據可實現高精度測量，依據點云成果選取的地形圖地面高程信息更準確。鑒于上述兩種方法各有利弊，考慮將兩種技術進行融合，充分發揮兩種技術優勢，可以有效控制生產成本，提高工作效率。因此考慮在房屋建筑物較集中的地區采用傾斜攝影測量手段成圖，在植被茂盛地區采用激光點云數據成圖。傾斜模型空三后生成密集點云與LiDAR 點云數據融合后，生成新的三維模型，再結合三維制圖軟件強大的圖形編輯處理功能，實現大比例尺地形圖快速成圖，減少大量的外業測量工作，提升工作效率，節約項目成本，滿足行業需求。

2 實例分析

2.1 測區概況

測區隸屬于江西省撫州市臨川區工業園區，地貌以丘陵為主，平原次之。內有農田、廠房、公路、建筑物等地物，測繪面積約10 km2，測區最低高程39 m，最高高程72 m。測區衛星影像概況如圖1 所示。測區坐標系統采用CGCS2000 國家大地坐標系，高斯-克呂格投影，采用標準的3°分帶，中央子午線為東經117°；高程基準采用1985國家高程基準；成圖等高距1 m。

圖1 測區范圍影像圖

2.2 技術流程

傾斜攝影測量與LiDAR 點云結合測制大比例尺地形圖主要步驟包括數據采集、數據處理、測圖、精度檢核等內容。具體流程如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影與LiDAR點云融合測圖流程

2.3 關鍵技術

2.3.1 航線規劃與像控點布設

測區模型地面分辨率0.03 m，相對航高325 m；航向重疊度設計為75%、旁向重疊度設計為60%；航線間距約100 m，航線數量約35 條，總長度約299 km。采用大疆精靈系列無人機、機載激光雷達鏡頭、傾斜攝影五鏡頭相機等設備采集數據。

本測區像片控制點擬采用網絡實時動態差分法（global positioning system-real time kinematic，GPS-RTK）技術施測，一般情況下均為平高點，用于空中三角測量解算。像片控制點按區域網布設，區域網之間的像片控制點應盡量選擇在上、下航線重疊的中間，相鄰區域網盡量公用。航線規劃如圖3所示。

圖3 航線規劃圖

2.3.2 空三測量

空三測量通過影像特征匹配算法提取連接點及地面控制點，獲取每張影像的外方位元素和加密點的坐標，把整個測區納入已知的坐標系統中，是攝影測量技術內業處理最關鍵的部分［4］?？杖馁|量直接影響到最終成果的精度。空三平差過程中應按照相應規范要求記錄像點量測誤差、相對定向誤差、模型連接誤差、大地定向后的定向點殘差、多余控制點不符值、區域網內部公共點較差、區域網間公共點較差等，并估算內業加密點中誤差。提供的基礎控制成果在加密時應作為檢查點進行檢核，但不參與整網平差。區域網之間的公共點接邊，平面和高程較差在符合規范要求時，取中數作為最后成果。

2.3.3 點云采集與分類

為采集非房屋區域植被茂密地區真實地面高程，項目采用大疆精靈系列無人機搭載機載激光雷達鏡頭獲取測區點云數據。同時配備華測t7 智能測量系統設備獲取點云數據的原始定位信息，實現點云大地定向，通過檢校后轉換到正常高基準，再對點云進行濾波處理，將明顯不是地面目標的點剔除，然后進行點云自動分類，從而分離出地面點，進而表示出不同地物，如植被與建筑物等。最后對高程突變的區域調整參數和算法，對點云成果重新進行小面積的精細分類。測區部分點云成果如圖4所示。

圖4 部分點云成果

2.3.4 地形圖成果制作

利用清華山維數字測圖軟件（Encapsulated PostScript，EPS）強大的三維數字化測圖系統采集數字線劃圖，將傾斜三維模型與點云成果融合生成新的三維模型，如圖5 所示，其格式為OSGB格式，將其成果轉換為DSM 格式后，在EPS 軟件中加載轉化后的數據，并且以二維、三維聯動方式進行數字化采集，如圖6 所示。依據GB/T 20257.1—2017［14］要求，采集地形圖要素：水系、居民地及設施、交通、管線、地貌、植被與土質、注記等。圖面采集完成后，需對各類注記、影像不能判別的地物等進行外業補調，將遺漏或表示錯誤的地物補全或更正。同時依據成圖規范，對成果進行綜合取舍，正確處理各要素邏輯關系，對圖形進行整飾編輯，完成地形圖制作。地形圖成果如圖7所示。

圖5 傾斜攝影與LiDAR融合后三維模型

圖6 EPS二三維聯動測圖

圖7 地形圖成果

3 評定

3.1 三維模型質量分析

實地查看三維模型的表達精細度與場景完整性，檢查其結構與現實是否一致，模型表面紋理是否有拉花、缺失或變形的情況，水面是否平整等；各場景有無模型漏洞，是否有缺失。

通過檢查，融合機載激光點云與傾斜影像點云的三維模型建筑物結構信息完整準確，無紋理拉花及扭曲現象，特別是植被與橋底區域，模型完整，無缺失，三維模型質量較高。但是融合后的模型，數據量較大，建模時間更長。因此建模時，選擇傾斜模型質量容易存在缺陷的區域融合點云數據進行建模，可以有效地減少建模數據量，從而加快建模效率。

3.2 DEM精度檢測

試驗區為丘陵地區，坡度變化不大。因此選取了40個高程點進行實地檢測，依據GB/T 18316—2008［15］中的檢查要求對生成的DEM 成果進行高精度檢測，結果見表1。

表1 DEM精度檢測結果 單位：m

經計算，DEM 成果檢測精度為0.06 m，明顯優于《基礎地理信息數字成果1∶500 1∶1 000 1∶2 000數字高程模型》（CH/T 90082—2010）中規定的1∶1 000丘陵地高程中誤差限差0.5 m要求。

3.3 地形圖精度檢測

傾斜模型遮擋區域采集的地形圖要素是地形圖誤差的主要來源，因此，為了科學地評定地形圖精度，外業通過RTK 搭配全站儀采集地形圖的檢查點，檢查點選擇時，共采集模型遮擋區域檢查點30 個，非遮擋區域檢查點50 個。所有檢查點均選取在房屋角點、道路交叉點、獨立地物或者其他特征地物點。對遮擋區域與非遮擋區域的地物點分別進行高精度檢測，其結果如表2所示。

表2 地形圖精度結果 單位：m

經統計，遮擋區域中誤差精度遠高于國家規范要求，同時，非遮擋區域精度比遮擋區域精度更高，符合實際。將所有檢查點一起參與精度綜合評定，平面中誤差為0.192 m，高程中誤差為0.085 m，同樣符合規范要求。因此，可以認為本文方法生產的地形圖精度足夠滿足工程使用。

4 結束語

本文介紹了傾斜攝影技術與激光點云技術融合繪制大比例尺地形圖的技術流程及關鍵技術，并實地采集檢查點對地形圖成果進行精度評定，形成了一套完整的生產體系。綜合傾斜攝影房屋建筑區重建優勢與LiDAR 穿透植被獲取地面真實高程的優勢，采用機載激光雷達航測技術繪制非房屋區域地形圖，傾斜攝影測量航測技術繪制房屋區域地形圖。該技術方法可行，精度符合要求，能夠減少外業工作量，降低生產成本，為后續生產提供參考和借鑒。同時需注意航攝環境與設備選擇對成果誤差產生的影響，不斷提高成圖精度，降低人力成本。