仿地飛行和傾斜攝影測量技術在山區(qū)大比例尺地形圖測繪中的應用探討

譚國普

（四川省地調院調查規(guī)劃研究中心，四川 成都 610031）

大比例尺地形圖作為航攝4D 產品之一，有著非常廣泛地用途。傳統(tǒng)的采用固定絕對航高飛行技術獲取的航攝影像，在生產大比例尺地形圖時，存在著一個明顯的問題。在平坦地區(qū)，生產的大比例尺地形圖基本一致，成果可以滿足相關規(guī)范要求。在生產山區(qū)大比例尺地形圖時，在測區(qū)高處，容易出現(xiàn)空三解算失敗問題，在測區(qū)低處，容易出現(xiàn)地形圖成果精度超限問題[1-2]。這種問題需要重新規(guī)劃航線進行補拍，然后在進行地形圖的生產，或者直接出外業(yè)現(xiàn)場進行補充測量[3-4]。采用無人機航空攝影方式生產地形圖，其目的就是降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效率和成果質量，因此需要對這種問題進行處理，從而快速高效低成本的得到符合要求的山區(qū)大比例尺地形圖成果。基于此，本文在深入分析了固定絕對航高存在的問題的基礎上，提出采用仿地飛行技術來解決航攝高度固定引起的影像分辨率不一致、重疊度太低和成果精度超限的問題，采用傾斜攝影方式，來解決獲取的影像信息不豐富的問題。本文以四川某一區(qū)域地形圖生產項目為例，將傾斜攝影和仿地飛行技術相結合，用于實際生產中，對本文提出的方案進行驗證。通過對地形圖成果精度檢測可知，采用本方案生產的山區(qū)地形圖，其精度可以滿足山區(qū)1∶500 地形圖測繪要求，而且精度均勻，可以為山區(qū)大比例尺地形圖的生產帶來借鑒。

1 無人機仿地飛行技術

無人機仿地飛行技術是指無人機在飛行的過程中，其距離地面的高度始終是不變的，是隨著地形的起伏變化而變化的（見圖1）。在飛行的過程中，無人機結合已有的數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM） 數(shù)據(jù)來不斷調整飛行的高度，從而保證距離被攝物體的高度是一致的。在航空攝影測量中，相機焦距、像元大小、航攝高度和地面分辨率存在以下關系：

圖1 仿地飛行示意圖

式中：H為飛機距離被攝物體的高度；f為相機焦距；GSD 為獲取的影像地面分辨率；a為像元大小。當相機選定后，H和GSD 成正比，航攝高度越高，獲取的影像分辨率數(shù)值越大，分辨率越低。而在數(shù)據(jù)生產時可知，影像分辨率越高，數(shù)據(jù)解算精度越高，因此在無人機航空攝影測量中，需要對航攝高度進行控制，從而保證采集的影像分辨率基本一致，數(shù)據(jù)解算精度相同。

2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是指在飛行平臺上搭載多臺數(shù)碼相機，從空中對地面進行影像數(shù)據(jù)的采集，然后利用專業(yè)的數(shù)據(jù)解算軟件，對航攝影像數(shù)據(jù)進行解算，從而生產出具有一定測繪精度的測繪產品[5]。相對于傳統(tǒng)垂直攝影測量來說，傾斜攝影搭載的數(shù)碼相機更多，可以從不同角度獲取被攝物體豐富的信息，從而使產品具有更加廣泛的用途。就目前傾斜攝影技術來說，其搭載的多鏡頭通常為5 鏡頭，即1 個下視相機和4 個側視相機的組合，下視相機垂直被攝物體，獲取被攝物體的頂部信息，側視相機則拍攝地面物體的側面紋理信息。雖然這種方式獲取的影像數(shù)據(jù)量大，冗余度高，不利于數(shù)據(jù)解算，但是豐富的影像信息，使得數(shù)據(jù)解算精度更高，因此傾斜攝影技術目前被廣泛使用。

3 作業(yè)流程

仿地飛行和傾斜攝影技術相結合用于山區(qū)大比例尺地形圖測繪，主要作業(yè)流程見圖2。

圖2 作業(yè)流程圖

4 案例分析

本次試驗區(qū)位于四川某一地區(qū)，測區(qū)內高差約500 m，已有測區(qū)內2022 年7 月份航攝影像，現(xiàn)實性強，并且搭載的差分設備，精度較高。測區(qū)內已有樹木，在近一年內高度變化在50 cm 內，測區(qū)內沒有施工蓋樓，其DSM 數(shù)據(jù)變化不大。對于仿地飛行來說，可充分利用已有航攝成果得到高精度DSM 成果，然后基于該成果完成無人機仿地飛行航線的規(guī)劃，并搭載傾斜設備完成本次傾斜影像數(shù)據(jù)的采集，從而生產山區(qū)大比例尺地形圖。

4.1 高精度DSM 數(shù)據(jù)生產

基于已有航攝影像，選用PIX4D 軟件，將POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)加載到軟件中，設置成果輸出坐標系統(tǒng)，完成經緯度POS 到投影坐標的自動轉換，設置DSM 格網間距為2 m，正射影像分辨率為1 m，選擇輸出格式為tif，其余參數(shù)默認，點擊開始，完成高精度DSM 數(shù)據(jù)的生產。

4.2 像控點布設與采集

將任務區(qū)范圍線與1 m 影像套合，并結合DSM數(shù)據(jù)，按照500 m 的間隔均勻布設像控點，在測區(qū)拐角區(qū)域，加密布設像控點，確保測區(qū)邊緣精度符合要求。1 m 影像用于像控點采集路線規(guī)劃，從而提升像控點的采集效率，避免像控點漏測。為了提升像控點的轉刺精度，本次像控點采用“L”形靶標，將其噴涂在地面上，然后采集其內角。在采集點位坐標時，需待儀器呈“固定解”狀態(tài)，并且每個點位采集3 次，每次平滑不低于15 次，3 次坐標值較差，其平面和高程均要求在1 cm 內，從而避免偶然誤差帶來的影響。本次在房角、道路交叉口等特征點上隨機均勻采集30 個檢測點，用來對地形圖成果精度進行檢測。

4.3 仿地航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)采集

本次航線規(guī)劃選用Wap Point Master 軟件，將任務區(qū)范圍線外擴300 m，設置地面影像采樣分辨率為3.5 cm，選用下視焦距為35 mm 的5 拼相機，具體設置參數(shù)見圖3。自動生成規(guī)劃航線，然后完成影像數(shù)據(jù)的采集。

圖3 精細仿地航線設計

4.4 空三解算與模型生產

空三解算選用Context Capture 軟件，將航攝傾斜影像成果和POS 數(shù)據(jù)導入軟件中，手動填寫每個鏡頭對應的焦距，快速檢查影像質量，確保輸入影像無損壞。設置引擎路徑，提交空三任務，開啟引擎，完成空三數(shù)據(jù)的解算。解算完成后，導入像控點并進行點位轉刺，然后提交平差任務，完成加密點坐標系的轉換，得到像控點對應坐標系下的空三成果。基于該空三，設置模型輸出格式為OSGB，生產出實景三維模型。

4.5 地形圖測繪

本次基于實景三維模型生產地形圖，選用EPS軟件完成地形圖的采集。首先加載OSGB 和xml 文件，生成三維模型索引文件DSM，在DSM 上采集地形圖。采集規(guī)則四邊形房屋時，用“五點房”命令，并通過模型查看房屋層數(shù)等，完成房屋屬性的錄入。在采集高程點時，在植被茂密區(qū)域，通過人工打點的方式采集高程點，在裸露區(qū)域，通過軟件自動提取高程點。在采集等高線時，對于植被茂密區(qū)域，通過“淹沒”方式繪制等高線，或者基于高程點生成等高線。在采集其他地物時，選擇對應的命令，完成地形圖的采集。采集完成后，導出dwg格式的地形圖成果。

4.6 精度評定

將檢測點和地形圖加載到EPS 軟件中，對地形圖精度進行檢測，部分檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 地形圖精度檢測統(tǒng)計表

選用同精度中誤差計算公式，對本次地形圖成果精度進行檢測，得到平面位置中誤差為±21.3 cm，高程中誤差為±23.5 cm。參照現(xiàn)有地形圖規(guī)范，本方案得到的地形圖成果，可以滿足山區(qū)1∶500 地形圖精度要求。

5 結束語

本文以實際生產項目為例，探討了仿地飛行和傾斜攝影測量技術相結合在山區(qū)大比例尺地形圖生產中的作業(yè)流程，并對生產得到的地形圖精度進行了檢測。通過對檢測結果分析可知，采用本方案生產的山區(qū)大比例尺地形圖，其精度均勻，可以滿足山區(qū)1∶500 地形圖精度要求，可以為山區(qū)大比例尺地形圖的測繪帶來借鑒。