基于航攝的大比例尺地形圖測(cè)繪精度保證技術(shù)研究

摘要：由于現(xiàn)有精度保證技術(shù)誤差較大，為此研究基于航攝的大比例尺地形圖測(cè)繪精度保證技術(shù)。選取適宜的地面分辨率（Ground Sampling Distance，GSD），對(duì)航拍影像進(jìn)行勻光勻色處理，篩選出清晰度最高的紋理，對(duì)投影的線段進(jìn)行精確配準(zhǔn)。導(dǎo)入預(yù)處理好的影像數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息，從配對(duì)的影像中提取特征點(diǎn)。運(yùn)用實(shí)景三維測(cè)圖軟件繪制大比例地形圖。通過(guò)誤差范圍的計(jì)算，判斷偏移程度，增加繪制精度。測(cè)試表明，在不同檢測(cè)點(diǎn)中平面位置的最大交叉未超過(guò)0.3 m，生產(chǎn)的地形圖成果精度完全符合大比例尺地形圖測(cè)繪精度要求。精度均勻可靠，提高了作業(yè)效率，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：航攝 大比例尺 測(cè)繪 高精度

中圖分類(lèi)號(hào)：P231文獻(xiàn)識(shí)碼：A

Research on Surveying Accuracy Guaranteeing Technology for Large Scale Topographic Mapping Based on Aerial Photography

ZHUANG Jianxia

Nantong Surveying and Mapping Institute Co.， Ltd.，Nantong， Jiangsu Province， 226006 China

Abstract： Due to the significant error of the existing accuracy guaranteeing technology， this paper studies the mapping accuracy guaranteeing technology of large scale topographic map based on aerial photography. The suitable Ground Sampling Distance （GSD） was selected to perform uniform light and color processing on aerial images， and the texture with the highest resolution was selected to accurately register the projected line segments. The pre-processed image data and corresponding coordinate information are imported to extract feature points from paired images. Large scale topographic map is drawn by using 3D mapping software. By calculating the error range， the deviation degree is judged and the drawing precision is increased. The test shows that the maximum cross of the plane position in different detection points does not exceed 0.3m， and the accuracy of the topographic map is fully in line with the requirements of large scale topographic map mapping accuracy.The accuracy is uniform and reliable， the working efficiency is improved， and the good application effect is achieved.

Key Words： Aerial photography： Large scale; Surveying and mapping; High precision

在現(xiàn)代測(cè)繪領(lǐng)域中，地形圖測(cè)繪精度保證技術(shù)在城市規(guī)劃等方面發(fā)揮著至關(guān)重要作用。科技的飛速發(fā)展對(duì)地形圖測(cè)繪精度的要求日益提高，大比例尺地形圖測(cè)繪技術(shù)成為測(cè)繪領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。宋小勇等人[1]在三星編隊(duì)中測(cè)量目標(biāo)到三顆衛(wèi)星的時(shí)間差，形成3個(gè)距離差方程，進(jìn)而求解目標(biāo)的三維坐標(biāo)。由于TDOA定位算法對(duì)時(shí)間同步的嚴(yán)格要求，當(dāng)某個(gè)基站出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)定位系統(tǒng)的性能。王媛等人[2]通過(guò)校正由收發(fā)衛(wèi)星不同頻率源間的差異性引入的相位誤差，可以保持回波相干性，提高成像質(zhì)量。盡管星載分布式合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）系統(tǒng)具有全天候的工作能力，但在極端環(huán)境下其性能可能會(huì)受到影響。因此，現(xiàn)階段以大比例尺地形圖測(cè)繪精度為研究對(duì)象，運(yùn)用航攝方式，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析。

1 地形圖測(cè)繪精度保證

1.1 航攝測(cè)量數(shù)據(jù)處理

為了確保影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，選擇對(duì)攝影和測(cè)圖影響最小的季節(jié)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)。因此，在采集過(guò)程中，運(yùn)用手動(dòng)曝光模式削弱三維模型中的色差現(xiàn)象。設(shè)定由東向西的飛行航線，以確保最佳的數(shù)據(jù)采集效果[3]。為了確定最佳的影像質(zhì)量，首先選取最適宜的地面分辨率（Ground Sampling Distance，GSD），其中大比例尺與GSD的對(duì)照關(guān)系如表1所示。

通過(guò)選擇合適的分辨率，計(jì)算無(wú)人機(jī)的航攝高度，能確保在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，各項(xiàng)參數(shù)得到合理匹配，以獲得高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)。其計(jì)算航高的公式為

式（1）中：為鏡頭焦距；為地面分辨率；為尺寸。在航攝作業(yè)中，由于外界環(huán)境的變化，導(dǎo)致獲取的影像在色彩分布上呈現(xiàn)出不同程度的差異。為確保影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，需要對(duì)航拍影像進(jìn)行勻光勻色處理。從而提升了影像的可讀性，從而更好地滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中的多樣化需求。運(yùn)用W濾波算法處理影像勻光勻色中，通過(guò)線性變換公式對(duì)影像進(jìn)行調(diào)整，平衡影像的亮度，確保處理后的影像在視覺(jué)上更加和諧統(tǒng)一。其計(jì)算公式為

式（2）中：為原始圖像；為線性變換系數(shù)；為均值。同時(shí)，通過(guò)紋理映射的方式將紋理圖像信息無(wú)縫貼合到三維模型表面，創(chuàng)造出高度逼真的視覺(jué)效果。在模型紋理處理方面，通過(guò)傾斜攝影獲取的初步內(nèi)方位元素，對(duì)二維影像中的線段與三維模型上對(duì)應(yīng)的線段進(jìn)行精確匹配[4]。從眾多紋理中篩選出清晰度最高的紋理，對(duì)投影的線段進(jìn)行精確配準(zhǔn)，確保二者在空間位置上的一致性。將三維模型中建筑物的直角特征與從圖像中提取的二維直角特征進(jìn)行對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)紋理映射的準(zhǔn)確性。

1.2 建立三維模型測(cè)繪地形圖

在完成影像數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過(guò)Capture軟件創(chuàng)建一個(gè)新的工程項(xiàng)目。在軟件界面上，將預(yù)處理好的影像數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息導(dǎo)入。自動(dòng)啟動(dòng)空中三角測(cè)量流程進(jìn)行影像間的自動(dòng)匹配與計(jì)算。通過(guò)連接點(diǎn)匹配功能，將垂直與航攝的影像在同一坐標(biāo)體系下進(jìn)行精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)，并從眾多成功配對(duì)的影像中提取特征點(diǎn)。構(gòu)建自由網(wǎng)，并允許用戶(hù)輸入像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)點(diǎn)。采用平面移動(dòng)法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，其計(jì)算公式為

式（3）中：、為系數(shù)矩陣；為坐標(biāo)觀測(cè)值權(quán)矩陣。通過(guò)不斷調(diào)整像控點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，直至空中三角測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足高精度建模的標(biāo)準(zhǔn)。在確認(rèn)空中三角測(cè)量精度滿(mǎn)足建模要求后，設(shè)置三維模型的空間參數(shù)。選擇適合的模型格式，由軟件自動(dòng)構(gòu)建出三維模型。建模期間，利用GPU在三維場(chǎng)景中迅速生成高密度點(diǎn)云，形成不規(guī)則三角網(wǎng)，并填充逼真的紋理，確保生成的三維模型能夠真實(shí)地反映測(cè)區(qū)的地形特征。最后，運(yùn)用實(shí)景三維測(cè)圖軟件完成大比例地形圖的繪制工作。充分利用傾斜攝影數(shù)據(jù)，結(jié)合高分辨率影像與高度還原的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的豐富性與全面性，提升了測(cè)圖精度，完成大比例尺測(cè)圖任務(wù)。

1.3測(cè)繪精度保證

建立測(cè)繪三維模型，針對(duì)模型的精度進(jìn)行深入分析，判斷精度是否已達(dá)到行業(yè)規(guī)范要求，從而完全適用于地形圖的繪制工作[5]。在地形圖的繪制精度保證過(guò)程中，需要通過(guò)實(shí)地測(cè)量點(diǎn)與地形圖上相應(yīng)點(diǎn)之間的偏移程度來(lái)進(jìn)行判斷。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)實(shí)地測(cè)量點(diǎn)與地形圖上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)偏移越小，表明繪制精度越高。采用誤差的方式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為

式（4）中：為真誤差結(jié)果。通過(guò)計(jì)算合適的誤差范圍，判斷偏移程度，從而提升地形圖與實(shí)地的吻合度，增加測(cè)繪圖的繪制精度。

2測(cè)試與分析

2.1測(cè)試準(zhǔn)備

以某地區(qū)的項(xiàng)目為例，在生產(chǎn)高精度的大比例尺地形圖。固定航高飛行方式結(jié)合30 mm焦距相機(jī)，在研究區(qū)域獲取影像，分析項(xiàng)目對(duì)精度的要求。通過(guò)收集到的GSD為0.3 m的影像數(shù)據(jù)，選用Master軟件將任務(wù)區(qū)的DSM數(shù)據(jù)精準(zhǔn)導(dǎo)入航線設(shè)計(jì)模塊。設(shè)定地面影像分辨率為35 cm，設(shè)置旁向與航向重疊度均為85%。將規(guī)劃好的航線數(shù)據(jù)上傳至飛行控制系統(tǒng)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行航空攝影作業(yè)。獲取采集平面測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)本次生產(chǎn)的地形圖數(shù)據(jù)，確保這些數(shù)據(jù)中包含與檢查點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)和高程信息。將檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)與地形圖上相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行匹配。對(duì)于每個(gè)檢查點(diǎn)，計(jì)算其在地形圖上的坐標(biāo)與實(shí)際采集坐標(biāo)之間的平面距離差。將每個(gè)檢查點(diǎn)的平面交叉使用ArcGIS軟件制作散點(diǎn)圖。根據(jù)散點(diǎn)圖的分布情況，評(píng)估地形圖的平面精度。觀察交叉值的分布范圍和離散程度。其中，平面位置的允許中誤差為0.4 m。

2.2結(jié)果與分析

利用外業(yè)采集的平面測(cè)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)生產(chǎn)的地形圖精度，并將平面交叉制作成散點(diǎn)圖。具體如圖1所示。

由圖1可知，在不同檢測(cè)點(diǎn)中，平面位置的最大交叉未超過(guò)0.3 m，這一結(jié)果表明，本文生產(chǎn)的地形圖成果精度完全符合大比例尺地形圖測(cè)繪精度要求。通過(guò)運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用，結(jié)合不同的外業(yè)采集的高精度檢查點(diǎn)，能夠在一定程度上提高地形圖成果的精度。這樣生產(chǎn)的地形圖，不僅精度均勻、可靠，而且顯著提高了作業(yè)效率，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

綜上所述，基于航攝的大比例尺地形圖測(cè)繪精度保證技術(shù)，在大比例尺地形圖測(cè)繪領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。在測(cè)繪過(guò)程中，通過(guò)精確坐標(biāo)采集，對(duì)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查，確保了測(cè)繪成果的平面坐標(biāo)精度均滿(mǎn)足大比例尺地形圖的標(biāo)準(zhǔn)要求。提高了測(cè)繪效率，還保證了地形圖的精度，為測(cè)繪等工程提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

3結(jié)語(yǔ)

本次研究從精度保證技術(shù)入手，深入分析了測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，探究了基于航攝的大比例尺地形圖測(cè)繪精度保證技術(shù)。在航攝過(guò)程中，應(yīng)確保航攝儀的穩(wěn)定，避免由于飛機(jī)姿態(tài)變化導(dǎo)致的影像模糊。利用定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）輔助空中三角測(cè)量技術(shù)，將相機(jī)曝光瞬間的空間位置和姿態(tài)角組成的POS數(shù)據(jù)作為附加觀測(cè)值引入?yún)^(qū)域網(wǎng)平差模型當(dāng)中，通過(guò)整體平差的方式解算出影像的外方位元素和地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)。但是本文方法中還存在著不足，如灰度拉伸等。對(duì)于森林隱蔽等特殊困難地區(qū)，可適當(dāng)放寬精度要求，但應(yīng)確保測(cè)圖成果能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋小勇，毛悅，宗文鵬，等.三星編隊(duì)TDOA定位精度分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2023，52（10）：1631-1639.

[2] 王媛，徐華平，李春升，等.星載分布式SAR雙頻乒乓模式測(cè)高精度分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2024，53（3）：463-472.

[3] 張爍，陳麗平，李鐵映，等.嫦娥五號(hào)探測(cè)器月面采樣封裝任務(wù)的定位精度[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2022，51（5）：631-639.

[4] 韓征，王文文，李勇，等.基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的大比例尺地上地下一體化城市三維模型集成方法研究[J].地質(zhì)與勘探，2022，58（3）：676-685.

[5] 鄭義.熱液礦床超大比例尺構(gòu)造-蝕變-礦化填圖：基本原理與注意事項(xiàng)[J].地球科學(xué)，2022，47（10）：3603-3615.