張畢祥，馮亞飛

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基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的研究

張畢祥1，馮亞飛2

（1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明市信息中心，云南 昆明 650500）

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域最近幾年來(lái)新興的一種測(cè)繪新技術(shù)，目前在三維建模和工程測(cè)量中得到了很好的應(yīng)用。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)主要對(duì)象為地形、地物頂部；地面起伏、地物側(cè)面紋理和三維結(jié)構(gòu)等屬性獲取有限；此外目前大比例尺地形圖測(cè)繪方法在成圖效率與成本之間有一定的矛盾。文章闡述了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在大比例尺地形圖測(cè)繪中的繪圖流程、線劃圖數(shù)據(jù)采集，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化后續(xù)繪圖工作。根據(jù)恭城縣得到的大比例尺地形圖成果，平面精度達(dá)到：0.209 m，高程精度達(dá)到：0.197 m，符合大比例尺地形圖精度要求，精度完全可以達(dá)到同等比例尺外業(yè)數(shù)字測(cè)量的精度要求。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)；大比例尺地形圖；影像處理；三維建模；精度評(píng)定

0 引言

通常稱比例尺在1 : 500—1 : 10萬(wàn)的地形圖為大比例尺地形圖。大比例尺地形圖（large scale topographical map）由于其位置精度高、地形表示詳盡，是規(guī)劃、管理、設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中的基礎(chǔ)資料。隨著各大中城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的完成，大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性問題成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。目前常用的大比例尺地形圖測(cè)繪方法均面臨著工作效率低，成圖周期長(zhǎng)，不能快速測(cè)圖的緊迫問題[1]。如航空攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)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(cè)量精度[2]；GPS-RTK存在衛(wèi)星限制、地物干擾、缺少多余觀測(cè)、高程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題[3-5]；作為國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影測(cè)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(lái)在信息化測(cè)繪領(lǐng)域進(jìn)行了諸多探索[6]。該技術(shù)通過從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的三維城市模型[7-8]。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(tái)傳感器從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜 等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場(chǎng)角、更詳細(xì)的地物信息數(shù)據(jù)[9-11]。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖，充分發(fā)揮無(wú)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)[12-13]。

文章針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)圖方法測(cè)繪大比例尺地形圖效率低而且工作量大的缺點(diǎn)，提出基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖方法，具體闡述了該方法具體的生產(chǎn)流程及線劃圖數(shù)據(jù)采集[14-16]方法，并對(duì)地形、地物要素進(jìn)行了外業(yè)精度檢測(cè)。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖流程

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖流程和傳統(tǒng)測(cè)圖方法類似，然而流程更加簡(jiǎn)化，主要有以下及部分：

（1） 準(zhǔn)備工作

相關(guān)資料準(zhǔn)備：控制點(diǎn)成果、坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)參數(shù)、已有的地形圖成果，無(wú)人機(jī)航飛技術(shù)方案，明確無(wú)人機(jī)搭載的傳感器、影像重疊度、飛行航高航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔，地面分辨率、焦距、及比例尺的選擇等。

相關(guān)儀器設(shè)備準(zhǔn)備：無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)檢校，三維模型數(shù)據(jù)處理軟件

（2） 數(shù)據(jù)采集

航空攝影：應(yīng)選擇天氣晴朗，能見度較高，風(fēng)速3級(jí)以內(nèi)的時(shí)間段進(jìn)行。

像控點(diǎn)布設(shè)：遵循一系列的布設(shè)原則。

空中三角測(cè)量：按照相關(guān)的測(cè)量規(guī)范對(duì)項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行空中三角加密測(cè)量。

（3） 三維模型構(gòu)建及數(shù)字線劃

采用已有的傾斜攝影建模軟件，通過對(duì)獲得的多視角影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配技術(shù)、三角網(wǎng)構(gòu)建來(lái)得到密集的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化處理，最終得到三維傾斜模型，幫助繪圖人員提高繪圖速率。

（4） 外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)及成圖

盡管實(shí)景三維模型可清晰辨別地物位置和類別信息，然而傾斜攝影獲取的影像存在一部分拍攝盲區(qū)，如立交橋的下面、建筑物的遮擋、植被茂密的遮擋等，內(nèi)業(yè)處理應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記，外業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪與補(bǔ)測(cè)。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖流程

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)例與結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)概況

測(cè)區(qū)地理位置位于廣西恭城縣東南蓮花鎮(zhèn)，介于東經(jīng)110°51￠282到110°56￠032，和北緯24°39￠052至24°44￠322之間，測(cè)區(qū)總面積為17.4平方公里。蓮花鎮(zhèn)位于恭城瑤族自治縣南部，東毗鐘山縣，南鄰平樂縣同安鎮(zhèn)，西接平樂縣二塘鎮(zhèn)，北接本縣平安鄉(xiāng)，距縣城14公里。通過航空攝影獲取蓮花鎮(zhèn)紅巖村周圍17.4 KM2的影像數(shù)據(jù)（其中1.4 KM2傾斜影像用于1 : 500成圖，16KM2的正攝影像用于1 : 2000成圖），通過后續(xù)像控測(cè)量，空三加密，立體采集，外業(yè)調(diào)繪，編輯整理等工序形成測(cè)區(qū)1 : 500數(shù)字線劃圖和正射影像成果為打造紅巖生態(tài)農(nóng)業(yè)文化公園AAAA級(jí)景區(qū)，為設(shè)計(jì)院提供蓮花鎮(zhèn)紅巖村地形圖，為規(guī)劃設(shè)計(jì)做基礎(chǔ)。本文選取1.4 KM的傾斜影像數(shù)據(jù)做研究，測(cè)區(qū)如圖2所示的多邊形區(qū)域。

2.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖技術(shù)流程

2.2.1 無(wú)人機(jī)地形數(shù)據(jù)采集

本次無(wú)人機(jī)航線方向?yàn)槟媳毕?，航?50 m，航向重疊率70%，旁向重疊率65%，地面分辨率為0.0414 m，區(qū)域航線數(shù)為384條航片。準(zhǔn)備工作：航空區(qū)域的空域批文，分析攝區(qū)情況，規(guī)劃航攝區(qū)，選擇起降場(chǎng)地，分辨率、航高計(jì)算等。無(wú)人機(jī)航空攝影作業(yè)流程如圖3所示，航攝的實(shí)施和航線示意圖如圖4所示。

圖2 1 : 500地形圖試驗(yàn)測(cè)區(qū)位置

圖3 無(wú)人機(jī)航空攝影作業(yè)流程

航拍實(shí)施包括地面基站架設(shè)，飛行平臺(tái)各系統(tǒng)調(diào)試，風(fēng)力風(fēng)向測(cè)試，信號(hào)頻率和強(qiáng)度測(cè)試等。

2.2.2 三維模型構(gòu)建

Smart 3DCapture數(shù)據(jù)處理基于圖形運(yùn)算單元（Graphic Processing Unit GPU）的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算，可以依賴昂貴且低效率的激光點(diǎn)云掃描系統(tǒng)或定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System POS），不需人工干預(yù)能夠從簡(jiǎn)單連續(xù)影像中生成逼真的實(shí)景真三維場(chǎng)景模型，區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)僅僅依靠高程生成缺少側(cè)面結(jié)構(gòu)的2.5維模型。Smart 3Dcapture 可以運(yùn)算生成基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云，并以此生成基于真實(shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景三維模型。其工作流程，大致為：新建工程→數(shù)據(jù)導(dǎo)入→控制點(diǎn)影像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)→空三加密處理→平差優(yōu)化→提交重建任務(wù)→提交成果產(chǎn)品等。Smart 3Dcapture傾斜影像三維模型構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 傾斜影像三維模型構(gòu)建流程

將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、自動(dòng)三維建模，由真彩色航空像片生成高密度點(diǎn)云和OSG格式的實(shí)景三維模型。

2.2.3 要素矢量采集及數(shù)據(jù)編輯

這是此次研究的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，將上面的Smart3D建好的實(shí)景三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到矢量化采集軟件中（其前提是支持模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。個(gè)人推薦北京吉威時(shí)代軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的一組專業(yè)而全面的空間數(shù)據(jù)處理軟件Geoway。在采集的過程中必須遵循GB/T20257.1-2007《國(guó)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》（以下簡(jiǎn)稱《圖式》），GB/T 7930-2008《1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《內(nèi)業(yè)規(guī)范》）；GB/T 15967-2008《1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》；CH/T 9008.1-2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1 : 500 1 : 1000 1 : 2000數(shù)字線劃圖》。

2.2.4 補(bǔ)繪及調(diào)繪

數(shù)據(jù)采集工作除內(nèi)業(yè)采集人員根據(jù)模型和點(diǎn)云矢量化以外，匯集需補(bǔ)測(cè)的問題交給外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)，也有利于上下工序的理解和銜接，保證成圖的質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集按“模型定位、外業(yè)定性、看不清不繪、看不到不繪、疑問標(biāo)注符號(hào)”的原則進(jìn)行。整理完成的數(shù)字線劃圖，最后修改整飾地形圖，完成測(cè)圖工作。測(cè)區(qū)在丘陵地區(qū)，地物類主要是房屋、道路和植被，地形復(fù)雜。得到10.6 MB的DWG文件。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000）、高斯-克呂格投影，3°分帶中央子午線為110°50￠002、采用2000橢球大地高，成果如圖5所示。

3 大比例尺地形圖精度評(píng)定

地形圖測(cè)繪完成以后需要評(píng)估數(shù)學(xué)精度，根據(jù)工程攝影測(cè)量規(guī)范，平面點(diǎn)位精度和高程注記點(diǎn)精度要求如表1所示。

在1 : 500的地圖中抽取均勻分布的40個(gè)點(diǎn)對(duì)平面位置精度和高程精度進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)基本等高為1 m。平面主要對(duì)房屋、道路進(jìn)行精度檢測(cè)，精度檢測(cè)中誤差為±0.209 m；高程精度檢測(cè)中誤差為±0.197 m。平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)見表2，誤差統(tǒng)計(jì)圖如圖7所示。

平面點(diǎn)和高程點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差計(jì)算結(jié)果：

平面中

高程中

平面中誤差在圖上距離為0.418 mm，小于圖上0.6 mm，（丘陵地區(qū)）；高程中誤差為0.197 m，小于 0.5 m（1/2基本等高距）。根據(jù)圖6可得出，高程中誤差相比平面中誤差波動(dòng)大，使用此方法得出的高程精度比平面精度低，然而高程中誤差0.197 m能夠滿足規(guī)范要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了該方法具有可行性。

圖5 軟件矢量化采集成果——數(shù)字線劃圖（DLG）

表1 工程攝影測(cè)量規(guī)范地形攝影測(cè)量的基本精度

Tab.1 Basic accuracy of terrain photogrammetry for engineering photogrammetry

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)獲得影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，通過Smart3D軟件生成了真實(shí)三維模型，并制作了大比例尺地形圖。將實(shí)地量測(cè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)和三維模型中生成的地形圖檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，證明該方法生成的地形圖在平面上可以滿足1 : 500地形圖的要求。無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)受天氣影響較大、無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，矢量化采集過程非自動(dòng)化等一系列問題，將來(lái)相關(guān)硬件、軟件的深入研究將為推廣傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖提供更加有利的條件。

表2 檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)及高程較差統(tǒng)計(jì)表（單位：m）

Tab.2 Checkpoint coordinates and elevation difference statistics table (unit: m)

（備注：其中△H2的值并不是所給坐標(biāo)點(diǎn)位的高程差值，只是共用序號(hào)）

圖7 誤差統(tǒng)計(jì)圖

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Research on Surveying and Mapping of Large-scale Topographic Maps Based on Inclined Photogrammetry

ZHANG Bi-xiang1，F(xiàn)ENG Ya-fei2

(1.Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan Province 650093；2.Kunming Information Center, Kunming, Yunnan Province 650500)

Tilting photogrammetry technology is a new mapping technology emerging in the field of international surveying and mapping in recent years, and it has been well applied in three-dimensional modeling and engineering measurement. The main objects of traditional photogrammetry technology are the topography of terrain and the top of the ground; the properties of ground relief, side textures, and three-dimensional structures are limited; in addition, mapping methods for large-scale topographic maps have certain contradictions between mapping efficiency and cost. This paper expounds the drawing flow and line chart data acquisition based on the UAV tilted photogrammetry in large-scale topographic map mapping, and uses the advantage of UAV tilted photogrammetry to simplify the subsequent drawing work. According to the large-scale topographic map obtained by Gongcheng County, the plane accuracy is 0.209 m and the elevation accuracy is: 0.197 m. It meets the accuracy requirements of large-scale topographic maps, and the accuracy can exactly meet the accuracy requirement of digital measurement in the same scale.

Oblique photogrammetric technique; Large-scale topographic map; Image processing; 3D modeling; Accuracy assessment

P231

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.031

張畢祥(1991-)，男，研究生，主要研究方向：3S集成與應(yīng)用。

馮亞飛(1981-)，女，工程師，主要研究方向：從事智慧城市、大數(shù)據(jù)、3S、城市規(guī)劃信息。

本文著錄格式：張畢祥. 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的研究[J]. 軟件，2018，39（7）：146-151