張福存，薛晉宇，賈國(guó)煥，陳興芳，賈國(guó)龍，王曉東

（1.西寧市測(cè)繪院，青海 西寧 810001）

近年來(lái)，基于傾斜攝影技術(shù)的實(shí)景三維建模技術(shù)廣泛應(yīng)用，改變了以往傳統(tǒng)的人工建模方式，可以快速、高效地完成大面積建模工作。實(shí)景三維模型成果也因其真實(shí)性、可量測(cè)性、易于更新等特點(diǎn)在城市規(guī)劃與建設(shè)、管理與治理工作中得到廣泛應(yīng)用。在測(cè)繪領(lǐng)域，基于實(shí)景三維模型進(jìn)行1∶500 地形圖測(cè)繪也是近年來(lái)測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)中衍生出來(lái)的重要應(yīng)用之一，并且已經(jīng)在村莊等建筑相對(duì)低矮、遮擋相對(duì)較少的地形環(huán)境下經(jīng)驗(yàn)證有較好的精度[1-4]，而在建模難度較大的城市高層建筑區(qū)內(nèi)的應(yīng)用幾乎沒(méi)有。因此，本文選取高層建筑較多的西寧市海湖新區(qū)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)開(kāi)展傾斜航拍，并建設(shè)該區(qū)域的實(shí)景三維模型，然后在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取兩處高層建筑區(qū)作為城市地形樣本和一處城郊低矮房屋區(qū)作為村莊地形樣本，基于實(shí)景三維模型開(kāi)展1∶500 地形圖測(cè)繪，然后評(píng)定兩類(lèi)地形條件下的地形圖精度，驗(yàn)證基于實(shí)景三維模型開(kāi)展城市1∶500 地形圖測(cè)繪工作的可行性。

1 準(zhǔn)備工作

1.1 軟硬件設(shè)備

航拍設(shè)備采用科衛(wèi)泰KWT-X6L 六旋翼無(wú)人機(jī)，傾斜攝影航攝儀采用上海航遙ARC524，其搭載五臺(tái)全畫(huà)幅相機(jī)，其中四臺(tái)為45°傾角傾斜航拍，一臺(tái)為垂直航拍，單鏡頭有效像素為2 400 萬(wàn)，傾斜鏡頭焦距35 mm，垂直鏡頭焦距20 mm。實(shí)景三維模型生產(chǎn)采用Bentley Context Capture 軟件，地形圖要素采集及圖形編繪采用北京山維科技EPS2016 軟件。

1.2 技術(shù)路線(xiàn)

在技術(shù)路線(xiàn)上，首先開(kāi)展無(wú)人機(jī)航拍和像控點(diǎn)實(shí)測(cè)工作，然后利用航拍數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)景三維模型，之后基于實(shí)景三維模型進(jìn)行1∶500 比例尺地形圖編繪，最后對(duì)生產(chǎn)的地形圖進(jìn)行精度評(píng)定（圖1）。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

2 生產(chǎn)案例

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

以西寧市海湖新區(qū)為建模實(shí)驗(yàn)區(qū)開(kāi)展航拍工作，該實(shí)驗(yàn)區(qū)面積約20.0 km2，地勢(shì)平坦，道路縱橫，建筑以高樓大廈為主，邊緣區(qū)域?yàn)槌青l(xiāng)結(jié)合部，以低矮房屋為主。地形圖測(cè)繪選取該實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的兩處高層建筑區(qū)作為城市地形樣本和一處低矮房屋區(qū)作為村莊地形樣本，兩處高層建筑區(qū)均為規(guī)整的高層住宅區(qū)，一處低矮房屋區(qū)多為兩層或三層的連片房屋，有少量單層房屋。建模實(shí)驗(yàn)區(qū)及測(cè)圖區(qū)范圍如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)及測(cè)圖區(qū)范圍

2.2 生產(chǎn)流程

2.2.1 航拍設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取

為了滿(mǎn)足1∶500 地形圖要素采集精度，航拍時(shí)像片分辨率需優(yōu)于0.05 m，結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)地形概況、高層建筑樓高情況、現(xiàn)有硬件設(shè)備條件以及航拍時(shí)的無(wú)人機(jī)安全考慮，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)相對(duì)航高為240 m，航向和旁向重疊率均為80%。

航拍工作按照航拍設(shè)計(jì)實(shí)施，本實(shí)驗(yàn)航拍中5 個(gè)鏡頭共獲取了約65 000 張像片。對(duì)于獲取的航拍像片及POS 數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行有效像片數(shù)確定、POS 數(shù)據(jù)編輯、各鏡頭像片名更改，確保POS 信息與5 個(gè)鏡頭像片數(shù)量及信息一一對(duì)應(yīng)，便于全自動(dòng)三維模型生產(chǎn)。

對(duì)于像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，航拍之前在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取典型的地面特征點(diǎn)如停車(chē)場(chǎng)內(nèi)停車(chē)位標(biāo)線(xiàn)拐角、籃球場(chǎng)硬化地表拐角、房屋外角頂部等在后續(xù)航拍像片上易于定位、且無(wú)遮擋的點(diǎn)位，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲取坐標(biāo)信息，選取的點(diǎn)位應(yīng)覆蓋實(shí)驗(yàn)區(qū)并分布均勻，注重在精度相對(duì)薄弱的實(shí)驗(yàn)區(qū)四周區(qū)域的點(diǎn)位選取的密度和分布[5]，在不易于選取地面特征點(diǎn)的區(qū)域可進(jìn)行標(biāo)靶布設(shè)。借鑒無(wú)人機(jī)航測(cè)中控制點(diǎn)布設(shè)經(jīng)驗(yàn)[5-6]，本項(xiàng)目共布設(shè)了172 個(gè)像控點(diǎn)。

2.2.2 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

實(shí)景三維建?；旧先詣?dòng)實(shí)現(xiàn)，其流程首先是在建模軟件中導(dǎo)入5 個(gè)鏡頭的像片數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)，由軟件進(jìn)行連接點(diǎn)自動(dòng)匹配，對(duì)獲取的特征點(diǎn)采用多像密集匹配技術(shù)自動(dòng)匹配同名點(diǎn)，恢復(fù)像片之間的相對(duì)位置關(guān)系，完成相對(duì)空三解算，然后加入控制點(diǎn)信息，開(kāi)展5 鏡頭像片上的同步刺點(diǎn)工作，進(jìn)行絕對(duì)空三計(jì)算。在空三精度達(dá)到所滿(mǎn)足的精度，并經(jīng)查看模型空三關(guān)系無(wú)明顯錯(cuò)誤后，進(jìn)行三維模型全自動(dòng)生產(chǎn)。根據(jù)軟件生成的基于真實(shí)影像的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、白模生產(chǎn)和模型紋理映射，最終生成基于真實(shí)影像紋理的實(shí)景三維模型。

本實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)景三維模型如圖3 所示，模型質(zhì)量良好、分辨率高、紋理清晰、色彩均勻，無(wú)大面積空洞、懸浮現(xiàn)象，能夠反映實(shí)驗(yàn)區(qū)地形實(shí)景，依據(jù)模型可多角度、多尺度瀏覽和量測(cè)。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)景三維模型

2.2.3 地形圖編繪

地形要素采集采用EPS2016 地理信息工作站，該平臺(tái)自帶三維測(cè)圖模塊，具備實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)和地形圖分屏顯示功能，能夠同步聯(lián)動(dòng)三維模型、地形要素和遙感影像數(shù)據(jù)，方便點(diǎn)、線(xiàn)、面要素采集及編輯，結(jié)合該平臺(tái)已有的地類(lèi)地物屬性編輯功能實(shí)現(xiàn)地形要素編碼分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)1∶500 地形圖要素圖屬一體化采集和交互式測(cè)繪。

在具體作業(yè)中，按照“先整體后局部”、“先輪廓后細(xì)部”作業(yè)原則，多角度識(shí)別三維要素，應(yīng)用軟件“模型切割去遮擋”、“建筑外輪廓自動(dòng)提取”、“以面代點(diǎn)畫(huà)房屋”等功能，分片地毯式開(kāi)展點(diǎn)、線(xiàn)、面地物采集，盡量減少外業(yè)調(diào)繪工作量。測(cè)圖區(qū)實(shí)景三維模型及地形圖情況如圖4～6 所示。

圖4 高層建筑區(qū)實(shí)景三維模型與地形圖（一）

圖5 高層建筑區(qū)實(shí)景三維模型與地形圖（二）

圖6 低矮房屋區(qū)實(shí)景三維模型與地形圖

3 精度評(píng)定

3.1 平面精度評(píng)定

3.1.1 低矮房屋區(qū)地形圖平面精度

低矮房屋區(qū)內(nèi)選取了35 個(gè)點(diǎn)位并實(shí)測(cè)其平面坐標(biāo)作為檢查點(diǎn)，點(diǎn)位包括房角、臺(tái)階、門(mén)墩等多類(lèi)地形要素。該區(qū)域部分實(shí)測(cè)點(diǎn)位和地形圖量測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息如表1 所示，分析35 個(gè)點(diǎn)位，最大的點(diǎn)位誤差為0.115 m，最小點(diǎn)位誤差為0.025 m，該區(qū)域平面中誤差為0.082 m。依據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ/T 8-2011）中“平地地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過(guò)圖上0.5 mm”，即在1∶500 地形圖為0.25 m 的平面精度要求，基于實(shí)景三維模型的低矮房屋區(qū)地形圖平面精度很好，最大誤差不足規(guī)范限定誤差的一半，中誤差不足規(guī)范限定誤差1/3。

3.1.2 高層建筑區(qū)地形圖平面精度

兩處高層建筑區(qū)內(nèi)選取了117 個(gè)點(diǎn)位并實(shí)測(cè)其平面坐標(biāo)作為檢查點(diǎn)，點(diǎn)位包括樓角、臺(tái)階、道路、溝渠、井篦子等地形要素。實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與地形圖量測(cè)點(diǎn)部分信息如表2 所示，所有點(diǎn)位及對(duì)應(yīng)平面誤差分布如圖7 所示，平面中誤差為0.115 m，其中最大點(diǎn)位誤差為0.239 m，最小點(diǎn)位誤差為0.007 m。滿(mǎn)足《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ/T 8-2011）中1∶500 地形圖0.25 m 的中誤差限差。其中平面中誤差不足規(guī)范限定誤差的一半，說(shuō)明基于實(shí)景三維模型的高程建筑區(qū)地形圖精度較好。

分析誤差較大點(diǎn)位的分布情況，發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)多為高層建筑樓角，再比較高層建筑區(qū)和低矮房屋區(qū)的點(diǎn)位平面位置精度，高層建筑區(qū)平面中誤差為0.115 m，較之低矮房屋區(qū)的0.082 m 要大，說(shuō)明高層建筑區(qū)地形圖平面精度要略低于低矮房屋區(qū)地形圖平面精度。

3.2 高程精度評(píng)定

對(duì)兩類(lèi)地形圖分別進(jìn)行高程精度評(píng)定，利用44 個(gè)高層建筑區(qū)的高程點(diǎn)求算的高程中誤差為0.138 m，利用23 個(gè)低矮房屋區(qū)的高程點(diǎn)求算的高程中誤差為0.129 m。依據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ/T 8-2011）規(guī)定，城市建筑區(qū)內(nèi)1∶500 地形圖的高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.15 m。因此，本實(shí)驗(yàn)區(qū)兩類(lèi)地形圖的高程精度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，但城市地形圖高程精度要略低于村莊地形圖的高程精度。同時(shí)，兩類(lèi)地形圖的高程中誤差均超過(guò)了0.12 m，說(shuō)明基于實(shí)景三維模型采集地形圖要素后的高程精度雖滿(mǎn)足規(guī)范要求，但整體精度不高。

表1 低矮房屋區(qū)部分實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與地形圖量測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)

表2 高層建筑區(qū)部分實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)與地形圖量測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)

圖7 高層建筑區(qū)點(diǎn)位及對(duì)應(yīng)平面誤差分布圖

4 誤差分析

4.1 實(shí)景三維模型誤差

實(shí)景三維模型誤差為地形圖精度的主要誤差源，其主要來(lái)源于：一是受城市建筑樓層高度影響、硬件設(shè)備條件等限制，航拍時(shí)考慮到無(wú)人機(jī)的安全，本實(shí)驗(yàn)中航拍高度為離地面240 m，獲取的垂直鏡頭像片地面分辨率約為0.047 m，略?xún)?yōu)于1∶500 比例尺所需的0.05 m 分辨率要求。因此，要提高實(shí)景三維模型精度，在確保航拍安全同時(shí)兼顧航拍效率的情況下，必須提高航攝儀性能，如更換長(zhǎng)焦鏡頭；二是在實(shí)景三維模型制作過(guò)程中，因5 個(gè)鏡頭像片中的拍攝物在航拍時(shí)的比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)中含有較多的粗差，嚴(yán)重影響后續(xù)影像空間精度[7]，也影響了全自動(dòng)實(shí)景三維模型的精度，對(duì)此可通過(guò)人工干預(yù)方式提高空三成果精度[8]。

4.2 地形要素采集誤差

地形要素采集誤差是作業(yè)員根據(jù)實(shí)景三維模型作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的誤差，這與作業(yè)員對(duì)地物要素的認(rèn)知、外業(yè)經(jīng)驗(yàn)、內(nèi)業(yè)作業(yè)熟練度有關(guān)，尤其是在模型不夠精細(xì)的地物上，采集時(shí)模型上1 個(gè)像元的誤差，就會(huì)造成實(shí)地距離約3～5 cm 的誤差；另一方面，當(dāng)某一地物不在同一高程面上時(shí)，會(huì)因?yàn)橐暡钤斐尚畔⒉杉粶?zhǔn)確，此時(shí)作業(yè)員應(yīng)不斷調(diào)整模型尺度、變換模型角度，確保采集位置的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論與討論

本文選取實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行實(shí)景三維模型生產(chǎn)和1∶500比例尺地形圖測(cè)繪，研究了利用旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)合五鏡頭傾斜相機(jī)航拍生產(chǎn)實(shí)景三維模型并基于模型生產(chǎn)1∶500 比例尺地形圖的生產(chǎn)流程及關(guān)鍵技術(shù)，然后對(duì)生產(chǎn)的地形圖進(jìn)行了精度評(píng)定和誤差分析。結(jié)果表明就圖形精度而言，兩類(lèi)地形條件下的圖形平面精度和高程精度均滿(mǎn)足規(guī)范要求，但比較高樓大廈林立的城市地形圖和低矮房屋為主的村莊地形圖，前者平面精度和高程精度均略低于后者。基于實(shí)景三維模型的1∶500 地形圖測(cè)繪可在城市地區(qū)開(kāi)展，并且較之傳統(tǒng)的全站儀或GPS RTK 數(shù)字測(cè)圖具有更快的生產(chǎn)速度和更高的生產(chǎn)效率。

根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)，實(shí)景三維模型生產(chǎn)和基于模型開(kāi)展城市1∶500 地形圖測(cè)繪仍有一定局限性需要解決，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）因無(wú)人機(jī)電池技術(shù)、續(xù)航技術(shù)及荷載限制，目前單架次作業(yè)一般在20～60 min，這成為提升航拍作業(yè)效率的制約條件，在傾斜攝影技術(shù)需要較大重疊度的前提下，提高無(wú)人機(jī)單架次作業(yè)時(shí)間將大幅提高傾斜技術(shù)的推廣應(yīng)用，也會(huì)促進(jìn)實(shí)景三維模型的應(yīng)用力度。另外，在城市高樓林立條件的限制下，若想提高模型精度，須配置合適焦距的鏡頭，確保航拍獲取的像片具有成圖所需的分辨率。根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)城市1∶500 地形圖所用的實(shí)景三維模型應(yīng)具有優(yōu)于0.04 m 的地面分辨率。

2）在城市內(nèi)，受高樓、樹(shù)木等地物的遮擋，無(wú)人機(jī)空中航拍時(shí)往往存在一些拍攝死角，給地面及近地面地物的三維建模帶來(lái)了很大的難度，模型有可能存在凸凹不齊、扭曲變形等現(xiàn)象，尤其是路燈、電桿等截面較小的地物，容易產(chǎn)生模型缺失，對(duì)利用模型采集地形全要素帶來(lái)了一定的困難，對(duì)此需通過(guò)外業(yè)調(diào)繪等方式加以補(bǔ)充處理[9]。

基于實(shí)景三維的城市1∶500 地形圖測(cè)繪可在室內(nèi)完成，大大減少了外業(yè)工作量，地形 圖精度可靠，工期有保障，成圖效率高，特別適用于小區(qū)域地形圖的快速測(cè)繪[10]。隨著傾斜攝影和實(shí)景三維建模技術(shù)的進(jìn)步及地形要素采集方法的改進(jìn)，基于實(shí)景三維模型的城市1∶500 地形圖測(cè)繪將會(huì)更加普及，更具有應(yīng)用前景。