基于傾斜攝影的仿地飛行技術在山區大比例尺地形圖測繪中的應用研究

摘" 要：針對采用固定航高飛行方式生產的山區大比例尺地形圖精度不統一、易超限的問題，該文在分析傾斜攝影和仿地飛行技術后，提出采用傾斜攝影和仿地飛行相結合的方式進行地形圖的生產。該文首先介紹傾斜攝影和仿地飛行技術，其次以實際項目為例，對其中涉及到的關鍵環節進行詳細介紹，最后利用外業采集的檢查點，對生產的地形圖精度進行檢測。檢測結果表明，采用該文方案生產的地形圖，其精度均勻，且可以滿足1∶500地形圖精度要求，可以為山區大比例尺地形圖測繪帶來借鑒。

關鍵詞：仿地飛行;傾斜攝影;大比例尺地形圖;實景三維模型;山區測繪

中圖分類號：P231 " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0189-04

Abstract： In order to solve the problem that the accuracy of the large-scale topographic map of mountain area produced by fixed altitude is not unified and easy to exceed the limit， after analyzing the techniques of oblique photography and imitating ground flight， this paper proposes to use the combination of oblique photography and imitating ground flight to produce topographic maps. This paper first introduces the technology of oblique photography and ground imitation flight， then takes the actual project as an example， introduces in detail the key links involved， and finally uses the checkpoints collected by the field to test the accuracy of the topographic map. The test results show that the accuracy of the topographic map produced by this scheme is uniform， and it can meet the accuracy requirements of 1∶500 topographic map， which can be used as a reference for the surveying and mapping of large-scale topographic map in mountainous area.

Keywords： imitating ground flight; oblique photography; large-scale topographic map; real scene 3D model; mountain surveying and mapping

數字線劃圖作為航空攝影4D產品之一，在實際生產中有著很重要的作用。傳統地形圖的測繪，是利用GPS全野外作業，并繪制草圖，然后內業將采集的坐標展到軟件中，結合草圖進行內業數字化成圖。這種方式得到的地形，其精度和外業采集的點的數量有關，并且和繪制草圖、識別草圖的能力有關，工作強度大，作業效率低。基于航空攝影測量，是先進行航空影像采集，然后內業進行空中三角測量解算，并基于空三形成虛擬立體像對，在此基礎上進行地形圖的采集[1-3]。這種方式得到的地形圖成果，其精度和空三的精度以及影像航攝的分辨率有關，并且在采集時，和作業人員的采集能力有關[4]。而在空三解算環節，其是通過逐像素進行匹配的，影像的分辨率越高，則匹配得到的空三成果精度越高。傳統固定航高，在任務區低處區域獲取的影像分辨率低，在任務區高處區域獲取的影像分辨率高。這種數據解算得到的空三成果，精度不均勻，低處區域的地形圖成果，其精度不受保障。基于此，本文在分析了傾斜攝影和仿地飛行的主流技術后，提出采用仿地飛行的方式進行傾斜影像數據的獲取，然后解算空三和生產三維模型，并在三維模型上完成地形圖的采集。最后用檢查點對地形圖成果精度進行檢測，結果表明：采用仿地飛行技術生產的地形圖，其精度均勻，并且可以滿足1∶500的地形圖測繪精度要求，可以為山區大比例尺地形圖測繪帶來借鑒。

1" 無人機傾斜攝影技術

該技術是指在無人機上搭載傾斜攝影，從空中對地面進行多角度、全方位的影像數據采集。目前主流的傾斜設備為5鏡頭，其由1個下視和4個側視相機組成，在作業時，下視相機垂直地面進行曝光拍照，側視相機則是以一定的夾角獲取被攝物體的側面紋理信息[5-6]。在航空攝影測量中，航攝高度、相機焦距、地面影像分辨率和像元大小四者之間有式（1）的關系。

H=f *GSD/a，（1）

式中：H是航攝高度，f是相機焦距，GSD是地面影像分辨率，a是像元大小。在傾斜設備中，要求像元大小是相同的，這樣方便后期數據解算，因此可以得到GSD的值與H和f有關。以下視相機和側視相機夾角為45°為例，可知側視相機曝光時距離地面點的距離是下視相機的1.414倍，由式（1）可知，此時要保證獲取的地面影像分辨率一致，則要對相機焦距進行調整，將其調整為下視相機焦距的1.414倍后固定。這種組合下獲取的影像分辨率一致，可以保證后期數據解算精度均勻。

2" 仿地飛行技術

仿地飛行技術是指無人機在航攝作業時，其距離地面的高度是保持不變的，由式（1）可知，同一個相機當H始終不變時，其獲取的GSD也是相同的。仿地飛行是依據地面的高低起伏，來時刻改變無人機的飛行高度。其依據的數據是數字表面模型（DSM），以該數據的高程來改變飛機的飛行高度，仿地飛行示意如圖1所示。

3" 傾斜攝影仿地飛行技術應用

基于仿地飛行獲取傾斜影像數據，并對該數據進行空三計算、三維模型生產，最后采集地形圖，其作業流程如圖2所示。

3.1" 測區勘察與已有資料收集

首先對任務區進行了勘察，任務區屬于山地地形，范圍內落差500 m，已有垂直攝影航攝影像，其現勢性為2022年10月份，現勢性強，可以直接基于此數據生產得到DSM成果，用于后續仿地飛行的航線規劃。

3.2" 像控點布設采集

本次采用仿地飛行技術，因此在像控點布設時，按照等間距的方式布設，像控點間隔500 m左右，整個任務區共布設像控點45個。在布設像控點時，首先在圖新地球軟件中將范圍線導入，布設完成后將布設的像控點成果導出為kml文件，提供給外業像控點測量人員。外業人員收到布設的像控點后，將其導入奧維APP軟件中，通過導航和放樣相結合，找到內業布設的點位，再根據實際情況對點位進行調整，要求調整范圍不超過50 m。調整后的點位應四周空曠、無遮擋，然后用不同顏色的油漆進行點位噴涂，標注點號，并對該點坐標進行采集。為了避免偶然誤差帶來的影響，每個點位均采集3次，且每次的較差值均小于2 cm，然后取3次坐標值的平均值為最終該點的坐標值。

3.3" 仿地航線規劃與影像數據獲取

利用PIX4D軟件，對已有影像進行解算，得到本次任務區范圍內的DSM成果，然后將該成果導入到航跡大師（WapPoint Master）軟件中，再導入任務區范圍線，設置地面影像分辨率為5 cm，航向、旁向重疊度為80%，航攝起飛高程點為1 450 m，坡向角度30°，在完成航線規劃任務后對任務區進行仿地航攝，得到高分辨率的傾斜影像數據。

3.4" 空三加密與三維模型生產

空中三角測量解算也稱空三加密，是航攝數據解算中最重要的一個環節。本次數據解算選用瞰景Smart3D軟件，將航攝影像和POS數據導入到軟件中，完善相機參數，提交空三任務，開啟引擎，完成數據的解算任務。在自由網解算完成后導入像控點，并對像控點進行轉刺。瞰景軟件中通過3種不同顏色反映像控點位置在影像上的位置情況，綠色代表像控點位于影像中間區域，紅色代表像控點位于影像邊緣部分，黃色則代表像控點介于二者之間。為了提高空三成果精度，本次只轉刺像控點位于影像中間部分的點位，并且對于有陰影的點位也不進行轉刺。轉刺完所有像控點后，提交平差任務，對空三加密成果進行平差，將自由網坐標系轉換到像控點對應的坐標系下。

空三完成后，則開始進行三維模型的生產，結合電腦內存配置，設置瓦片占用內存為電腦內存的1/2，這樣可以有效避免三維模型重建時，由于電腦內存溢出導致的建模失敗問題發生。后期要進行地形圖的采集，因此，在模型輸出時，選擇其格式為OSGB，因為該格式包含多層級金字塔，瀏覽順暢，可以提高地形圖采集效率。

3.5" 大比例尺地形圖測繪

本次地形圖生產，選用目前使用最多的清華山維EPS軟件。在地形圖的測繪中，該軟件具有對規則四邊形房屋進行快速繪制的“五點房”命令工具;在密集植被區域繪制等高線時，可采用“淹沒”功能，從而快速得到高精度的等高線成果;在植被稀少的裸露區域，則可以按照范圍設置高程點采集密度，自動完成高程點的采集，并且基于高程點快速得到對應區域的等高線。對于其他地物的采集，則按照大比例尺地形圖采集要求，選擇對應的圖層工具，完成任務區地形圖的測繪。對于因模型拉花而無法準確采集的部分，則借助下視鏡頭影像構建的虛擬立體像對，在立體環境下對其進行補測，從而得到高質量的地形圖測繪成果。本次生產的部分地形圖如圖3所示。

4" 精度檢測與統計

利用外業采集的檢查點，在EPS軟件中，對地形圖成果精度進行檢測，得到其平面較差和高程較差的折線圖如圖4所示，其中較差單位為cm。

按照現有規范GB/T 15967—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》可知，山區1∶500地形圖，其平面位置中誤差要求不大于0.4 m，高程中誤差要求不大于0.35 m，最大較差要求不超過2倍中誤差。從圖4可以看出，本次所有檢查點其平面較差和高程較差均未超過60 cm，對所有檢查點按照高精度中誤差計算可知，本次生產的地形圖，其平面位置中誤差為±0.377 m，高程中誤差為±0.343 m，其精度符合規范要求。

5" 結束語

本文探討了傾斜攝影仿地飛行技術在山區大比例尺地形圖測繪中的應用，并以實際生產項目對該技術進行了驗證。通過利用檢查點對地形圖精度檢測，并對精度進行統計分析后可知，本文方案生產的地形圖，其精度均勻，未出現超限點位，可以滿足1∶500山區地形圖測繪精度要求，而且外業工作量少，可以為同類項目數據的生產帶來借鑒。

參考文獻：

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