徐思奇，黃先鋒,，張 帆,，雍小龍，夏志敏，王 濤

(1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 武漢大勢智慧科技有限公司，湖北 武漢 430223)

大比例尺地形圖含有詳細(xì)的地形要素和地理信息，是城市規(guī)劃、市政公用事業(yè)、土地管理必不可少的基礎(chǔ)資料[1-2]。目前常用的大比例尺地形圖測繪方法均面臨著工作效率低，成圖周期長，不能快速測圖的緊迫問題[3]。如航空攝影測量技術(shù)測繪小面積地形花費(fèi)的人力物力成本高，精度上不能滿足1∶500地形圖的測量精度[4]；GPS-RTK存在衛(wèi)星限制、地物干擾、缺少多余觀測、高程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題[5-7]；遙感影像分米級的分辨率不能測繪大比例尺地形圖；三維激光掃描測圖人工勾繪過程有局部地形精度損失且設(shè)備價格高技術(shù)難普及。

作為國際測繪領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影測量技術(shù)(oblique photography technique)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，近年來在信息化測繪領(lǐng)域進(jìn)行了諸多探索[8]。該技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場角、更詳細(xì)的地物信息數(shù)據(jù)[9-11]。在拍攝相片的同時，機(jī)載傳感器記錄下航高、航速、航向和旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，嵌入地理信息、影像信息，使影像數(shù)據(jù)真實(shí)地反映地物情況[12]。利用傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖，充分發(fā)揮無人機(jī)成本低、靈活、拍攝范圍廣、飛行速度慢等一系列優(yōu)點(diǎn)[13-14]，人工后處理數(shù)據(jù)簡單，工作量減少，測圖周期短，成圖速度快，適合地形條件復(fù)雜的小面積地域航測。文獻(xiàn)[15]采用固定翼無人機(jī)低空飛行采集影像，經(jīng)過像片控制測量、空三加密制作高分辨率DOM并由此采集特征點(diǎn)線，但該文沒有進(jìn)行繪制、評定地形圖工作，忽略了人工繪圖過程中的誤差。文獻(xiàn)[16]用無人機(jī)采集影像，導(dǎo)入DPGrid系統(tǒng)空三，成果導(dǎo)入VirtuoZo NT軟件釆集地形要素。由于無人機(jī)航攝外方位元素誤差較大、圖像畸變較大等問題，大比例尺地形圖的高程精度無法滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

本文針對傳統(tǒng)測圖方法難以滿足快速高效測繪大比例尺地形圖的實(shí)際需求，提出基于傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖方法，研究了該方法具體的生產(chǎn)流程。與其他無人機(jī)測圖手段不同，該方法通過無人機(jī)航測系統(tǒng)采集的數(shù)碼影像(包括垂直影像和傾斜影像)自動生成地物點(diǎn)云和實(shí)景三維模型，由此識別地物輪廓范圍和類別信息完成采集工作。為了驗(yàn)證本文所提方法的可用性，通過岢嵐縣數(shù)據(jù)采集與處理試驗(yàn)對本方法進(jìn)行驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果說明，本文方法繪制的大比例尺地形圖精度滿足規(guī)范要求，成圖效率大大提高。

1 傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖工藝

傳統(tǒng)大比例尺地形圖測繪工藝可概括為“三內(nèi)二外”，即內(nèi)業(yè)收集資料，根據(jù)測區(qū)概況設(shè)計(jì)技術(shù)方案；外業(yè)采集數(shù)據(jù)，繪制草圖；內(nèi)業(yè)分類矢量化地物，包括配準(zhǔn)、空三、格式轉(zhuǎn)換等；外業(yè)調(diào)繪，反饋位置、類別信息；內(nèi)業(yè)分幅整飾，存儲成果。

傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖工藝與傳統(tǒng)測圖方法相似，但流程更加簡化，包括以下工藝：

(1) 外業(yè)作業(yè)前，首先要收集測區(qū)資料，包括控制點(diǎn)成果、坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)參數(shù)、已有的地形圖成果與地名資料等，制定無人機(jī)航飛技術(shù)方案并申請空域，明確無人機(jī)搭載的傳感器、地面分辨率、影像重疊度、飛行航高航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔等問題。

(2) 外業(yè)工作人員按逐航帶或測區(qū)面積布設(shè)像控點(diǎn)，然后依照技術(shù)方案的安排，用無人機(jī)搭載多傳感器從一個垂直、多個傾斜等不同角度采集地形數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)靈活高效特點(diǎn)，工作時長以小時為單位，不同以往大比例尺地形圖外業(yè)測繪按天數(shù)計(jì)算，縮短項(xiàng)目周期，測繪人員只需無人機(jī)飛手和少量作業(yè)員，與傳統(tǒng)測圖方法按測區(qū)面積配備一定比例的外業(yè)人員相比，人員數(shù)量減少，節(jié)約項(xiàng)目成本。

(3) 內(nèi)業(yè)空三加密、生成點(diǎn)云、建立實(shí)景三維模型等操作均可待數(shù)碼傾斜影像導(dǎo)入軟件后由軟件自動解算完成，通過多視影像聯(lián)合平差技術(shù)進(jìn)行傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配技術(shù)得到高精度高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以采用聯(lián)機(jī)運(yùn)算縮短數(shù)據(jù)處理時間。繪制地圖過程需作業(yè)員手動完成，以三維模型和點(diǎn)云作參照，速度大大提升。

(4) 通過實(shí)景三維模型可清晰辨別地物位置和類別信息，外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測工作量減少，繪圖中遇到疑問需記錄下來，交給外業(yè)工作人員核查。

(5) 完成大比例尺地形圖分幅整飾等工作后，提交質(zhì)檢部門檢查成果的數(shù)學(xué)精度、屬性精度、地理精度、附件質(zhì)量等是否符合大比例尺地形圖規(guī)范要求，驗(yàn)收合格才能保存使用，傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖流程

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)測區(qū)位于山西省忻州市岢嵐縣，測區(qū)面積約1.080 km2。岢嵐縣位于山西省忻州西南部，地勢東南高，西北低，境內(nèi)以山地和丘陵為主，全縣山地1140 km2，丘陵面積799 km2，平原45 km2。為保護(hù)縣城古城墻，岢嵐縣政府要求快速測繪城區(qū)1∶500地形圖。測區(qū)如圖2所示的大多邊形區(qū)域，古城墻位于大區(qū)域中心小矩形區(qū)域。

圖2 基于傾斜攝影測量技術(shù)快速測繪1∶500地形圖試驗(yàn)測區(qū)位置

試驗(yàn)使用六旋翼航測無人機(jī)搭載傾斜雙相機(jī)，利用兩臺全畫幅相機(jī)依次前下后擺動60°，一個周期采集6張不同角度的地物航空影像，達(dá)到6臺相機(jī)同時工作的效果，原理如圖3所示。

圖3 傾斜雙相機(jī)周期擺動設(shè)計(jì)工作原理

無人機(jī)飛行5架次，設(shè)計(jì)航高100 m，航向重疊率80%以上，旁向重疊率60%以上，采集到真彩色航空像片9236張，POS數(shù)據(jù)5688個，地面分辨率為1.95 cm，飛行信息見表1。

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)自身特點(diǎn)決定影像處理方式與傳統(tǒng)航測方法不同，本文采用Smart3D Capture軟件完成空三、實(shí)景三維模型建立、點(diǎn)云生成，導(dǎo)入Geoway 3D Mapping 軟件完成地理要素矢量化、地形圖分幅整飾等，試驗(yàn)技術(shù)流程如圖4所示。

試驗(yàn)第一個關(guān)鍵技術(shù)是將POS檢校解算后的傾斜像片導(dǎo)入Smart3D Capture軟件中進(jìn)行空三加密、模型快速化一體生產(chǎn)、模型數(shù)據(jù)局部修整及少量人工干預(yù)處理，聯(lián)機(jī)運(yùn)算一周由9236張1 km2的真彩色航空像片生成點(diǎn)云和OSG格式的實(shí)景三維模型，如圖5所示。

表1 無人機(jī)采集數(shù)據(jù)每架次飛行信息

圖4 傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖試驗(yàn)技術(shù)流程

試驗(yàn)第二個關(guān)鍵技術(shù)是將實(shí)景三維模型和點(diǎn)云導(dǎo)入Geoway 3DMapping 軟件中，按照《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖圖式GB 20257.1—2007》規(guī)范中1∶500地形圖要求，參照點(diǎn)云和三維模型完成全要素矢量化采集，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)見表2。

測區(qū)在縣城中心，地物類主要是房屋、道路和植被，沒有復(fù)雜地形。1 km2的測區(qū)由5名采編員耗時5 d手動采集整飾，得到6.08 MB的DWG文件，成果如圖6所示。

圖5 利用Smart3D Capture軟件生成的試驗(yàn)測區(qū)實(shí)景真三維場景圖

平面坐標(biāo)系高程系統(tǒng)地圖投影地圖比例尺圖幅分幅1980西安坐標(biāo)系1985國家高程基準(zhǔn)高斯?克呂格投影，3°分帶中央子午線為東經(jīng)111°1∶50050cm×50cm

圖6 Geoway 3DMapping軟件矢量化采集成果——數(shù)字線劃圖

整理完成的數(shù)字線劃圖，匯集需補(bǔ)測的問題交給外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測，最后修改整飾地形圖，完成測圖工作。

2.2 大比例尺地形圖精度評定

完成地形圖測繪后，首先需評定1∶500地形圖成果的數(shù)學(xué)精度。根據(jù)工程攝影測量規(guī)范，平面點(diǎn)位精度和高程注記點(diǎn)精度要求見表3。

選取同樣技術(shù)流程測繪的1∶1000岢嵐?jié)竦毓珗@地圖中均勻分布的20個檢查點(diǎn)評定數(shù)學(xué)精度，基本等高為1 m，平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)見表4，誤差統(tǒng)計(jì)圖如圖7所示。

表3 一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地形攝影測量的基本精度

表4 地物檢查點(diǎn)平面和高程誤差統(tǒng)計(jì) m

計(jì)算如下

大比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度評定完成后，需要進(jìn)行屬性精度檢查、地理精度檢查、整飾質(zhì)量檢查、附件質(zhì)量檢查等，最終提交成果進(jìn)行大比例尺地形圖質(zhì)量評定。

圖7 地物檢查點(diǎn)平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)圖

通過檢查數(shù)據(jù)可知，本文利用傾斜攝影測量技術(shù)測繪的大比例尺地形圖符合工程攝影測量規(guī)范中對基本精度的要求，保證了成果數(shù)學(xué)精度，綜合該方法省時高效的特點(diǎn)，適合小區(qū)域快速測繪大比例尺地形圖。

3 總 結(jié)

本文提出利用無人機(jī)航測系統(tǒng)拍攝測區(qū)傾斜影像生成實(shí)景三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且由此測繪大比例尺地形圖方法，試驗(yàn)證明成果精度達(dá)到了大比例尺地形圖質(zhì)量要求。結(jié)合大比例尺地形圖測繪實(shí)際，與其他傳統(tǒng)測圖技術(shù)相比，成圖時間減少一半以上，人員減少4/5。特別是外業(yè)采集數(shù)據(jù)階段，傳統(tǒng)測圖技術(shù)需要根據(jù)測區(qū)面積大小配備相應(yīng)數(shù)量的測圖人員，采用無人機(jī)測圖只需3～4人，降低了測圖成本，特別適用于小區(qū)域快速測繪大比例尺地形圖。

目前，該方法還存在無人機(jī)飛行作業(yè)受天氣影響較大、無人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定需搭載IMU裝置保證高程精度、矢量化采集過程非自動化等問題，未來相關(guān)硬件軟件難題的深入研究將為推廣傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖提供條件。

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