馬學(xué)峰 張 源 屈利娜 全境富

（湛江市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，廣東 湛江524002）

傳統(tǒng)地形圖測(cè)圖作業(yè)方法，需耗費(fèi)大量人力物力、工作強(qiáng)度大、效率低、操作工序復(fù)雜。近幾年，新興的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以短時(shí)快速獲取影像數(shù)據(jù)，具有高速靈活、高效可靠、低成本高精度等優(yōu)勢(shì)，廣泛被越來越多的行業(yè)所認(rèn)可和應(yīng)用。通過構(gòu)建三維模型，可以將外業(yè)工作搬到內(nèi)業(yè)電腦中，可以有效地提高作業(yè)效率和減少外業(yè)測(cè)量的工作。2019 年11 月，湛江市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院承接了某區(qū)域的1:500 地形圖測(cè)量項(xiàng)目，測(cè)區(qū)面積2.3 KM2，測(cè)區(qū)地勢(shì)起伏較大，有村莊、成林、水塘等。測(cè)區(qū)位于禁飛區(qū)外，無高大建筑，飛行條件良好。

1 傾斜攝影的原理及技術(shù)

1.1 傾斜攝影航攝平臺(tái)

在傾斜攝影中，原始影像獲取的重要設(shè)備是航攝平臺(tái)，它在影像獲取過程中有著不可替代的作用和地位。航攝平臺(tái)由航攝飛行器與航攝儀組成，航攝儀的性能參數(shù)，對(duì)飛行載體提出來明確需求，飛行載體允許到達(dá)的高度、速度和效率為航攝儀提供了直觀的選擇依據(jù)。

1.2 傾斜攝影原理

傾斜攝影技術(shù)的核心部分包括：飛行器、傾斜相機(jī)，POS 系統(tǒng)。飛行器上搭載的傾斜相機(jī)，同時(shí)獲取前、后、左、右、下視的高分辨率影像，搭載在飛行平臺(tái)上的GPS/IMU 系統(tǒng)獲取POS 數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用與設(shè)備相匹配的軟件，對(duì)這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，最終獲得實(shí)際生產(chǎn)中的三維模型。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)

1.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

由于無人機(jī)傾斜影像畸變較大，對(duì)影像匹配精度有更高的要求，傳統(tǒng)的配準(zhǔn)方法在匹配精度方面有局限性，近年來，提出了基于多視角傾斜影像的密集匹配技術(shù)[1-2]，而且做了很多研究。研究結(jié)果表明，基于多視角傾斜影像的密集匹配技術(shù)可以獲取高精度的同名點(diǎn)，研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精細(xì)三維建模提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[3]。

1.3.2 特點(diǎn)

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要有以下特點(diǎn)：

a.無人機(jī)可以直接在空曠區(qū)域進(jìn)行起降，不要太大的空間，對(duì)起降環(huán)境要求較低。

b.無人機(jī)飛行高度在幾十至幾百米之間，受天氣影響較小，工作效率高。

c.無人機(jī)拍攝影像分辨率高，它所搭載的數(shù)碼相機(jī)低空分辨率可達(dá)到厘米級(jí)，可以清晰的看到頂部和側(cè)面的紋理。

d.建模效率高：無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、快速三維建模等。

2 基于傾斜攝影生成三維模型測(cè)繪地形圖的流程

基于無人機(jī)傾斜攝影生成三維模型測(cè)繪地形圖技術(shù)主要包括：合理布設(shè)像控點(diǎn)及坐標(biāo)測(cè)量、無人機(jī)傾斜攝影獲取、三維模型建立、地形圖制作，具體技術(shù)流程。

圖1 具體技術(shù)流程

3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

本項(xiàng)目使用大疆精靈4 RTK 型無人機(jī)，選用3D/五向飛行模式，飛行高度為70m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，分別采集前、后、左、右、下視的影像信息。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

全自動(dòng)化三維建模，主要是在攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)獲取的傾斜影像進(jìn)行初步預(yù)處理、多視角影像的匹配、三角網(wǎng)的構(gòu)建、紋理貼敷等流程，最終得到高分辨率的三維模型[4]。目前自動(dòng)化建模主流軟件為Smart3D 軟件。

將野外像控點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)（精靈4RTK 影像含POS 數(shù)據(jù)）導(dǎo)入軟件進(jìn)行全自動(dòng)化三維建模。在計(jì)算三維模型數(shù)據(jù)或3D TIN 紋理方面，Smat3D 自動(dòng)建模系統(tǒng)并不需要人工干預(yù)。

3.2.1 空三處理

在Smart3D 軟件中，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)（含POS 數(shù)據(jù)），經(jīng)過提取特征點(diǎn)，提取同名點(diǎn)、相對(duì)定向、匹配為連接點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運(yùn)算處理，得到攝區(qū)合格的空中三角測(cè)量成果。

3.2.2 密集點(diǎn)云生成

根據(jù)輸出的空中三角測(cè)量成果，通過提取的影像特征點(diǎn)，生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2.3 構(gòu)建TIN 網(wǎng)模型

模型制作的計(jì)算任務(wù)量較大，為提高數(shù)據(jù)處理速度，處理過程中將攝區(qū)分割成N 個(gè)模型小塊進(jìn)行處理。對(duì)在每個(gè)模型區(qū)塊內(nèi)精細(xì)構(gòu)網(wǎng)，可以快速生成TIN 網(wǎng)。

3.2.4 自動(dòng)紋理映射

對(duì)TIN 網(wǎng)模型進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，生成基于高分辨率影像的真實(shí)紋理的三維模型。此模型可以輸出為OBJ、OSGB 等格式，可以導(dǎo)入市場(chǎng)上主流應(yīng)用平臺(tái)，應(yīng)用客戶瀏覽。

3.3 三維模型矢量化采集

iData 3D 是一款集測(cè)繪數(shù)據(jù)采編成圖、數(shù)據(jù)入庫(kù)、產(chǎn)品制作和生產(chǎn)任務(wù)管理于一體的地理信息數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。它可在實(shí)景攝影測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行大比例尺測(cè)圖作業(yè)。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

將iData 數(shù)據(jù)工廠利用海量點(diǎn)云和傾斜三維模型數(shù)據(jù)，直接基于點(diǎn)云或DSM生產(chǎn)DLG 數(shù)據(jù)，不僅操作簡(jiǎn)便，同時(shí)滿足GIS入庫(kù)要求。

iData 可直接打開Smart3D 生產(chǎn)出來的osgb/s3c 格式的傾斜三維模型，也可根據(jù)DEM 和DOM 成果生成osgb 格式的DSM模型，再進(jìn)行加載顯示。本文中采用傾斜三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

基于三維模型的DLG 立體采集基本作業(yè)流程如下：

圖2 采集作業(yè)流程

3.3.2 iData 3D 數(shù)據(jù)采集模式

a.矢量數(shù)據(jù)提取

iData 3D 是以iData 數(shù)據(jù)工廠為基礎(chǔ)，作業(yè)環(huán)境是二三維一體的，我們通過測(cè)圖軟件對(duì)房屋矢量面，包括地面的點(diǎn)狀地物和線狀地物的提取，精度可靠。

圖3 線狀地物采集

b.直角繪房

該功能一般多適用于墻面較平整的建筑物，用戶只需采集第一個(gè)墻面上任意兩點(diǎn)，再依次采集其他各墻面上任意一點(diǎn)，即可繪制出直角房屋（即房屋內(nèi)角都為90°）。

若其中一個(gè)房屋墻面與上一個(gè)墻面不垂直，稱這個(gè)面為非直角墻面。直角繪房時(shí)可選取該非直角墻面的任意一點(diǎn)作為墻面，先完成其他直角墻面的繪制，生成第一個(gè)房屋面；然后再二次使用直角繪房命令，精確繪制該非直角墻面，虛構(gòu)其他墻面形成閉合的第二個(gè)房屋面；最終用第二個(gè)房屋面裁剪第一個(gè)房屋面即可切出該非直角墻面。相比于一次性繪制出的房屋面，該方法降低了人為采集的誤差，精度更高。

圖4 房屋采集

除上述通過墻面采集建筑物各邊，俯視看建筑物時(shí)，采集屋頂各邊也可以實(shí)現(xiàn)直角繪房，同樣第一條邊線上要采集兩點(diǎn)，其他各邊各采一點(diǎn)。

c.高程點(diǎn)采集

iData 3D 可直接在三維模型上采集高程點(diǎn)，打點(diǎn)時(shí)應(yīng)選取硬化鋪裝的地面或者無植被遮擋的裸露地表，根據(jù)制圖比例尺均勻的采集高程點(diǎn)。

圖5 高程點(diǎn)采集

d.賦予編碼

iData 自帶字典功能，操作簡(jiǎn)單，無需記住所有cass 編碼。

4 基于無人機(jī)傾斜攝影的地形圖精度分析

結(jié)合機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)區(qū)實(shí)際情況，對(duì)以上方法獲取的地形圖的精度進(jìn)行分析[5-6]，本文中通過外業(yè)作業(yè)人員使用RTK 獲取道路拐角、房角、路燈等可以快速測(cè)量的無遮擋的特征點(diǎn)，用于檢驗(yàn)通過無人機(jī)傾斜攝影建立的三維模型矢量化的地形圖精度。采集的地形圖如下圖所示：

圖6 采集過程示意

圖7 地形圖結(jié)果

4.1 地形圖平面精度檢查

為驗(yàn)證機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)區(qū)的地形圖平面精度，在項(xiàng)目測(cè)區(qū)外業(yè)均勻采集15 個(gè)平面檢查點(diǎn)，并與內(nèi)業(yè)采集的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，平面統(tǒng)計(jì)精度見表1。

表1 平面統(tǒng)計(jì)精度

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，檢查點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.143m，按照《城市測(cè)量規(guī)范》CJJ/T8-2011 中關(guān)于圖上點(diǎn)位中誤差為0.5mm，按照1:500 比例尺，則換算成實(shí)際允許的最大點(diǎn)位中誤差為0.25m，通過實(shí)際檢查點(diǎn)的精度比較，可知完全滿足1:500 比例尺地形圖精度。

4.2 地形圖高程精度檢查

為驗(yàn)證機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)區(qū)的地形圖高度精度，在項(xiàng)目測(cè)區(qū)外業(yè)均勻采集25 個(gè)高程檢查點(diǎn)，并與圖上高程進(jìn)行對(duì)比，高程統(tǒng)計(jì)精度見表2。

由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，檢查點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.107m，按照《城市測(cè)量規(guī)范》CJJ/T8-2011 中規(guī)定，平地高程中誤差為1/3*H，H 為等高距，1:500 比例尺平地地形的等高距為0.5m，根據(jù)以上公式可以得出允許最大高程中誤差為0.167m，通過實(shí)際檢查點(diǎn)的精度比較，可滿足1:500 比例尺地形圖高程精度。

表2 高程精度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括數(shù)據(jù)采集、處理分析、三維建模及數(shù)據(jù)管理等工作。項(xiàng)目實(shí)踐證明，通過三維模型生產(chǎn)地形圖的方法，從野外工作量、作業(yè)復(fù)雜程度、成圖周期等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的地形圖采集，從精度方面統(tǒng)計(jì)，地表裸露區(qū)域能夠滿足1:500 比例尺平面和高程中誤差要求。但是，受限于傾斜攝影作業(yè)模式，無法采集被成片植被覆蓋的區(qū)域的影像信息，因此這部分區(qū)域仍采用傳統(tǒng)的外業(yè)作業(yè)方式進(jìn)行地形的采集。基于無人機(jī)傾斜攝影的大比例尺地形圖生產(chǎn)模式，在小范圍測(cè)圖，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。但如何做到影像采集效率更高、三維模型精度更高、矢量采集速度更快，都需要在實(shí)踐中進(jìn)一步的探索和研究。