杜洪濤，郭敏，魏國芳，梁菲

(濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

1 引 言

作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性測繪工作，大比例尺地形圖測繪在城市規(guī)劃建設(shè)、地籍與房產(chǎn)測量、工程施工測量等領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用[1，2]。目前主流的大比例尺地形圖測繪方式有全野外數(shù)字化測圖方法、航空攝影測量方法。全野外數(shù)字化測圖方法[3]外業(yè)工作量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)作業(yè)周期長、更新速度慢等弊端。傳統(tǒng)航空攝影測量方法[4]主要用于 1∶2 000比例尺地形圖的測繪，對于 1∶500比例尺地形圖，成果精度難以控制，特別是地形高程信息，一般需要采用全野外測繪的方式進(jìn)行補(bǔ)測。

近幾年，無人機(jī)航攝系統(tǒng)以其操作便捷、成本低、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)，迅速得到推廣應(yīng)用。利用無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測繪，繼承了無人機(jī)航攝技術(shù)特點(diǎn)，大幅提高大比例尺地形圖的更新效率，成為目前研究的熱門課題[5，6]。目前利用無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測繪主要以無人機(jī)航飛正射影像圖為底圖，內(nèi)業(yè)編輯成圖后輔以外業(yè)補(bǔ)繪調(diào)繪完成。受二維影像數(shù)據(jù)自身局限性限制，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中存在大量不可確定的信息，如建筑物層數(shù)、房檐改正距離等，需要通過外業(yè)補(bǔ)繪調(diào)繪完成[7，8]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，使得成果數(shù)據(jù)從二維空間升級至三維空間，可全方位、立體化還原地物特征，進(jìn)一步減少外業(yè)工作量，加快數(shù)據(jù)采集速度。

本文以無人機(jī)傾斜攝影測量成果為基礎(chǔ)，采用二三維聯(lián)動一體化測圖模式，進(jìn)行大比例尺地形圖測繪，實(shí)踐證明該技術(shù)方法可靠性強(qiáng)，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)技術(shù)[9]具有機(jī)動性強(qiáng)、準(zhǔn)入門檻低和便捷性高等特點(diǎn)，無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合，帶動了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，大大降低了實(shí)景三維數(shù)據(jù)的獲取難度，從而提高了數(shù)據(jù)的適用范圍。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)使用無人機(jī)攜帶航攝儀獲取多個(gè)角度的像片，利用計(jì)算機(jī)視覺理論識別同名像點(diǎn)，結(jié)合POS數(shù)據(jù)或地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，恢復(fù)立體模型，可同步獲取同一區(qū)域的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多種類型的成果數(shù)據(jù)[10]?；谝韵聝煞矫娴奶攸c(diǎn)，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)滿足大比例尺地形圖測繪的高精度要求。一方面，航飛數(shù)據(jù)采集時(shí)航高較低且像片重疊度高，重建過程中多余觀測量多，重建數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度高；另一方面，建模過程中加入了POS數(shù)據(jù)和高精度地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)輔助，使得數(shù)據(jù)輸出時(shí)具有高精度的位置信息。

3 基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測圖技術(shù)流程

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測圖技術(shù)流程主要包括資料收集與分析、像控點(diǎn)布設(shè)、無人機(jī)航空攝影、實(shí)景三維建模、基于實(shí)景三維建模成果的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集以及外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪工作，如圖1所示。

3.1 資料收集與分析

收集測區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)資源，包括數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)、影像圖數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、測區(qū)自然人文地理情況等?；谏鲜鲂畔?，完成以下兩項(xiàng)工作：①根據(jù)測區(qū)的地物分布情況，主要依據(jù)道路網(wǎng)的分布，大致確定無人機(jī)的起降場地范圍和行車路線；②根據(jù)成果要求精度水平和相機(jī)主距、像元大小等參數(shù)，計(jì)算航飛高度。此外，需要重點(diǎn)關(guān)注測區(qū)范圍內(nèi)是否分布有高層建筑或較高信號塔等可能增加航飛難度的因素以及擬定航高是否符合安全作業(yè)要求。

圖1 基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測圖技術(shù)流程

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)策略取決于建模精度需求、是否有POS數(shù)據(jù)輔助、像幅大小等因素。對于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，目前多采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的像控點(diǎn)布設(shè)法，即測區(qū)四周布設(shè)平高點(diǎn)，內(nèi)部布設(shè)一定數(shù)量的平高點(diǎn)或高程點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，對于一般地形區(qū)域，采用間隔 10 000個(gè)像素布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)的方法進(jìn)行加密。

根據(jù)擬定的像控點(diǎn)布設(shè)方法，并結(jié)合已有資料，在影像圖上大致確定像控點(diǎn)的預(yù)設(shè)范圍。關(guān)于像控點(diǎn)的位置選取，在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)盡量選擇平整地面明顯標(biāo)志點(diǎn)，如斑馬線角點(diǎn)、檢修井中心點(diǎn)等地面點(diǎn)點(diǎn)位。當(dāng)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)不易尋找標(biāo)志明顯的特征點(diǎn)時(shí)，可使用油漆在地面繪制人工標(biāo)記或使用像控紙作為像控點(diǎn)。圖2為典型像控點(diǎn)選點(diǎn)示意圖。

圖2像控點(diǎn)選點(diǎn)示意圖

3.3 無人機(jī)航空攝影

根據(jù)外業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況確定無人機(jī)航空攝影分區(qū)，分區(qū)時(shí)保證像控點(diǎn)分布均勻，一般優(yōu)先選擇路網(wǎng)作為分界線。根據(jù)內(nèi)業(yè)初步擬定的無人機(jī)起降場地，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇視野開闊、周圍遮擋小、無明顯信號干擾、遠(yuǎn)離人群和建筑物的地方作為無人機(jī)起降場地，著重避開高層建筑及信號塔。對于進(jìn)行實(shí)景三維建模，一般采集5個(gè)視角的影像，分別包含1個(gè)正射角度和4個(gè)傾斜角度。

無人機(jī)航空攝影時(shí)，按照設(shè)定的航飛高度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中航向重疊度一般設(shè)定為70%～80%。旁向重疊度設(shè)定為60%～70%。

3.4 實(shí)景三維建模

實(shí)景三維建模過程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、建模輸出三個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要是整理航飛影像數(shù)據(jù)、相機(jī)文件、POS數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，使其滿足軟件平臺的要求。將整理后的數(shù)據(jù)載入實(shí)景三維建模軟件，常用的三維建模軟件有Context Capture Master、Photomesh、PhotoScan、Altizure、Pix4DMapper等。

空三加密是實(shí)景三維建模的核心環(huán)節(jié)之一，為提高成果的位置精度水平，需要將外業(yè)采集像控點(diǎn)數(shù)據(jù)刺點(diǎn)至對應(yīng)的像片，要求各個(gè)視角均選刺一定數(shù)量的像片。刺點(diǎn)完成后，運(yùn)行空三加密，軟件自動進(jìn)行多視角影像密集匹配、區(qū)域網(wǎng)平差，確定像片之間的位置對應(yīng)關(guān)系。空三完成后，可在軟件平臺查看空三點(diǎn)的密度圖，如圖3所示。

基于原始影像數(shù)據(jù)和空三成果，經(jīng)三維TIN構(gòu)建、自動紋理映射等流程，生產(chǎn)制作實(shí)景三維模型及其派生數(shù)據(jù)，包括正射影像、數(shù)字表面模型、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)。其中實(shí)景三維模型和其對應(yīng)的正射影像將作為大比例尺地形圖測繪的數(shù)據(jù)源。

圖3 空三點(diǎn)的密度示意圖

3.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采用二三維聯(lián)動一體化測圖模式進(jìn)行采集，即利用分屏方式分別加載正射影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，并使其同步，可實(shí)現(xiàn)二維或三維狀態(tài)下的地形圖測量。數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。在三維或者二維環(huán)境下采集各種地物類型的特征點(diǎn)或特征線，并借助地物本身和地物之間的幾何關(guān)系，繪制完成地物。對于地貌信息的采集，由于實(shí)景三維模型具有高程信息，可通過直接在模型表面拾取高程點(diǎn)完成。常用的二三維一體化測圖軟件有EPS地理信息工作站、航天遠(yuǎn)景三維智能測圖系統(tǒng)、Dp-Modeler等。

圖4數(shù)據(jù)采集界面示意圖

3.6 外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需通過外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪工作檢核內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)成果，對于內(nèi)業(yè)無法測量、識別的地物通過外業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地確認(rèn)，主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

(1)對內(nèi)業(yè)預(yù)判的地形圖要素進(jìn)行核查、糾錯(cuò)、定性；

(2)對內(nèi)業(yè)漏測和難以準(zhǔn)確判繪的圖形信息(如遮蓋區(qū)域)，特別是由于地物遮擋造成的實(shí)景三維模型的局部變形、模糊，導(dǎo)致少量地物要素難以準(zhǔn)確采集的情況。部分線狀懸空的地物，如電力線等，實(shí)景三維建模難度大，難以從模型中準(zhǔn)確辨別其走向和連接關(guān)系的情況。

(3)對內(nèi)業(yè)難以獲取的屬性信息(如地理名稱等)進(jìn)行調(diào)繪，如檢修井的屬性信息、路名、企事業(yè)單位等注記信息。

4 實(shí)踐與分析

以商河縣老城區(qū)30 km21∶500比例尺地形圖測繪為例，論述項(xiàng)目實(shí)施過程以及成果的精度評定。測區(qū)地處山東省濟(jì)南市商河縣，屬華北沖積平原，境內(nèi)無高山和丘陵，地勢平坦。測區(qū)位于商河縣主城區(qū)，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，交通便利，建筑物分布密集，平均困難類別屬于建筑與工業(yè)區(qū)Ⅲ類。

4.1 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)策略，像控點(diǎn)均勻散布整個(gè)測區(qū)，各像控點(diǎn)間距控制在 400 m以內(nèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，測區(qū)范圍共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)460個(gè)。

項(xiàng)目采用DJI Phantom 4 Professional四旋翼無人機(jī)多角度影像數(shù)據(jù)采集方案，分別包含1個(gè)正射角度與4個(gè)傾斜角度，相對航高控制在 100 m左右，航向重疊度為70%，旁向重疊度為65%，航攝時(shí)間均控制在上午9：00～16：00之間。結(jié)合測區(qū)實(shí)際情況，選擇以硬化路面為分界線，將測區(qū)劃分為29個(gè)航飛子測區(qū)實(shí)施航攝任務(wù)。為保證接邊精度，各航飛子區(qū)之間保持一定的重疊區(qū)域，原始航飛影像數(shù)據(jù)與有效建模面積之間的數(shù)量關(guān)系基本維持在 4 000張/km2。

實(shí)景三維建模使用Context Capture軟件，將航飛數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)載入軟件平臺，經(jīng)空中三角測量、實(shí)景三維建模等環(huán)節(jié)，共制作完成 30 km2實(shí)景三維建模成果，輸出正射影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。

基于上述兩類成果，在EPS軟件平臺三維測圖模塊進(jìn)行大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采集，隨后經(jīng)調(diào)繪與補(bǔ)繪，完成最終的 1∶500比例尺地形圖成果。由于項(xiàng)目航飛數(shù)據(jù)采集時(shí)間為冬季，植被遮擋情況較少，一定程度上減少了外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪的工作量。

4.2 精度評定

為評價(jià)基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例地形圖測繪方法的精度水平，對采用本方法完成的商河縣老城區(qū) 1∶500比例尺地形圖采用野外散點(diǎn)法分別進(jìn)行平面和高程精度檢測。

平面精度檢測共檢測明顯地物點(diǎn)1 273個(gè)，剔除32處粗差，粗差率為2.5%，最大誤差 0.290 m，最小誤差 0.003 m，中誤差為 ±0.081 m，小于《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)規(guī)定的地物點(diǎn)相對于鄰近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差(±0.25 m)，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

平面精度統(tǒng)計(jì)表 表1

高程精度檢測共檢測高程點(diǎn)2 322個(gè)，剔除22處粗差，粗差率為0.9%，最大誤差 0.260 m，最小誤差 0.001 m，中誤差為±0.052 m，小于《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)規(guī)定的高程注記點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差(±0.15 m)，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

高程精度統(tǒng)計(jì)表 表2

經(jīng)檢驗(yàn)，該項(xiàng)目的精度達(dá)到規(guī)范“優(yōu)級品”的要求。

5 結(jié) 論

經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測繪，能夠滿足規(guī)范精度要求，是地形圖測繪技術(shù)的重大嘗試和成功應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

(1)作業(yè)效率高，勞動強(qiáng)度小。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)響應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)獲取快捷，作業(yè)效率提升。與傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測繪方法相比，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以大幅降低外業(yè)工作量和工作強(qiáng)度。

(2)數(shù)據(jù)采集直觀、全面。通過正射影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)分別從二維和三維世界在線地物的分布特征，直觀、形象，作業(yè)員可直接在二三維作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和編輯。

(3)數(shù)據(jù)精度高，干擾性因素少。地形圖測量時(shí)經(jīng)常遇到現(xiàn)場不配合或者地形地貌過于復(fù)雜的現(xiàn)象，從而難以確保地形圖的準(zhǔn)確性。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測繪，通過非接觸模式二三維環(huán)境作業(yè)，可準(zhǔn)確定位地物特征點(diǎn)位，確保數(shù)據(jù)精度和全面性。

該作業(yè)模式也存在一定的局限性，若航飛數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為植被較為茂盛的季節(jié)時(shí)，由于植被遮擋造成的實(shí)景三維模型難以表達(dá)的地物，仍需要通過補(bǔ)繪和調(diào)繪的形式進(jìn)行補(bǔ)充。