曹理想

(蚌埠市勘測設(shè)計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

傳統(tǒng)的紙質(zhì)地形圖掃描數(shù)字化，就是先用滾筒式工程掃描儀或大幅面平板式掃描儀將紙質(zhì)地形圖掃描成柵格數(shù)字圖像，再經(jīng)過糾正、定向后，借助矢量化軟件和人機交互進行處理，最終得到數(shù)字化地形圖。由于紙質(zhì)地形圖本身具有不均勻變形誤差，以及圖紙掃描過程中也要引入一定的誤差[1]，采用內(nèi)圖廓四個角點進行柵格糾正往往不能滿足精度要求，則需要進行公里格網(wǎng)逐點糾正[2]。

近景攝影測量就是通過近距離攝影手段以確定目標(biāo)的外形和運動狀態(tài)，被測目標(biāo)物各式各樣、千差萬別，應(yīng)用十分廣泛[3]。相比較于專業(yè)量測攝影機的體型巨大，數(shù)碼相機等非量測相機有著輕便靈活、價格便宜、獲取影像快速的優(yōu)點。同時，非量測相機也有著內(nèi)、外方位元素未知，構(gòu)像畸變較大的缺點，結(jié)合相關(guān)攝影測量軟件進行處理，處理過程簡潔，可獲得較滿意的結(jié)果，對多數(shù)生產(chǎn)單位來說具有實用意義[4，5]。本文基于近景攝影測量技術(shù)，采用非量測數(shù)碼相機和一般攝影測量軟件進行研究，提出一種簡便可行的紙質(zhì)地形圖數(shù)字化流程方法。

2 近景攝影測量

近景攝影測量是攝影測量的一個分支，它不以測繪地形圖為目的，而是利用對 300 m以內(nèi)近距離目標(biāo)攝影所獲取的圖像來確定其形態(tài)、幾何位置和大小的技術(shù)。它所攝的目標(biāo)可以是物體或生物、靜態(tài)的或動態(tài)的：所獲取的圖像可以是影像的或數(shù)字的。它可提供平面圖、立體圖、剖面圖、目標(biāo)點的二維坐標(biāo)、三維坐標(biāo)和包括時間的四維參數(shù)以至工程建設(shè)其他參數(shù)等多樣化成果數(shù)據(jù)[6]。近景攝影測量在不直接接觸被攝物體的情況下，對被攝物體進行三維立體量測，其精度可以達(dá)到攝影距離的1/3000～1/8000[7]。近景攝影測量方法能夠簡便高效地實現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲得相對傳統(tǒng)方法更為精細(xì)的測繪成果[8]。

3 試驗研究

3.1 技術(shù)流程

采用非量測數(shù)碼相機進行獲取影像數(shù)據(jù)后，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件Context Capture中進行空中三角測量解算生成點云數(shù)據(jù)，進而構(gòu)建TIN模型，再進行全自動紋理映射，最終生成正射影像圖，并通過數(shù)字化軟件進行矢量數(shù)據(jù)采集、編輯，最終得到數(shù)字化地形圖成果。紙質(zhì)地形圖數(shù)字化技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 紙質(zhì)地形圖數(shù)字化流程圖

3.2 影像數(shù)據(jù)獲取

試驗選用40 cm×50 cm矩形分幅的聚酯薄膜圖紙，比例尺為 1∶1 000，原圖精度滿足《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖數(shù)字化規(guī)范》GB/T 17160-2008要求，圖面內(nèi)要素清晰、正確、圖面整潔。采用Canon EOS 5D MARK Ⅱ單反數(shù)碼相機通過正直攝影的方式進行拍攝，有效像素 2 110萬，像片尺寸為 5 616像素×3 744像素，相機鏡頭采用 50 mm定焦鏡頭，攝影基線為 10 cm，鏡頭到紙質(zhì)地形圖的攝影距離為 60 cm。由于在室內(nèi)進行拍攝，為保證被攝目標(biāo)照度均勻，在不同位置設(shè)置光源進行了補光。本次攝影共布設(shè)5條航帶，每條航帶拍攝6張影像，航向重疊度為76%，旁向重疊度為65%，共計30張影像。

3.3 影像數(shù)據(jù)處理

采用Context Capture軟件進行影像數(shù)據(jù)處理。Context Capture軟件可支持普通數(shù)碼相機，無須進行相機檢校，通過空中三角測量自動計算更準(zhǔn)確地焦距、主點和鏡頭畸變等相機參數(shù)。

(1)創(chuàng)建工程后加載全部影像，并添加相機鏡頭焦距信息，采用多基線特征匹配技術(shù)進行特征點提取及影像匹配，選取地形圖中包含4個角點在內(nèi)且分布均勻的9個坐標(biāo)網(wǎng)線交叉點作為像控點，利用像控點進行區(qū)域網(wǎng)平差完成空中三角測量，解算出各影像外方位元素?？罩腥菧y量計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 空中三角測量計算結(jié)果

(2)利用軟件提供的并行算法獲得高密度的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)，并生成白模的三維模型。如圖3、圖4所示。

圖3 構(gòu)建的TIN網(wǎng)

圖4 生成的TIN白模

(3)通過全自動紋理映射，生成基于影像紋理的高分辨率參考三維模型。生成三維模型后，直接輸出高精度的正射影像圖數(shù)據(jù)，經(jīng)鑲嵌、勻色處理后生成TIF格式的全幅正射影像圖。如圖5所示。

圖5 生成的全幅正射影像圖

3.4 矢量數(shù)據(jù)采集、編輯

原有地形圖圖式的符號與現(xiàn)行圖式規(guī)范存在部分不一致，應(yīng)將以前各版本圖式符號與現(xiàn)行版本的圖式建立對應(yīng)關(guān)系。利用CASS軟件加載正射影像圖，根據(jù)現(xiàn)行圖式規(guī)范規(guī)定的圖形符號定位點、線進行數(shù)據(jù)采集，線狀要素保持其連續(xù)性，面狀要素構(gòu)成閉合多邊形，采集的矢量數(shù)據(jù)應(yīng)進行接邊處理。對圖形數(shù)據(jù)中的要素關(guān)系進行編輯，保證各要素間的拓?fù)潢P(guān)系正確。

3.5 精度分析

為檢查紙質(zhì)地形圖數(shù)字化的精度，選取正射影像圖上的15個坐標(biāo)網(wǎng)線交叉點作為檢測點，將檢測點的坐標(biāo)與理論坐標(biāo)進行比較分析，如表1所示。

檢測點坐標(biāo)比較分析表 表1

綜上可以看出，選取的檢測點點位中誤差為 0.134 m，其相對精度為0.134 mm/60 cm≈1/4500，表明相對精度也很高，滿足地形圖數(shù)字化的需要。

4 結(jié) 論

采用非量測數(shù)碼相機攝取影像后，通過近景攝影測量技術(shù)可以獲得紙質(zhì)地形圖的正射影像圖，實現(xiàn)常規(guī)的地形圖數(shù)字化中的掃描、糾正和定向工作，通過精度驗證，基于近景攝影測量技術(shù)開展紙質(zhì)地形圖數(shù)字化，可以提供高精度的地形圖數(shù)字化成果，為紙質(zhì)地形圖數(shù)字化工作提供了一種簡便可行的解決方案。