宋增巡

（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

0.引言

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是城市乃至國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源，而地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)性是衡量其使用價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)之一。“經(jīng)濟(jì)發(fā)展測繪先行”這一口號(hào)也充分證明了基礎(chǔ)測繪在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。近幾年隨著各大城市城鎮(zhèn)化率加快推進(jìn)，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與日俱增，城市擴(kuò)展速度隨之日益加快，城市變化日新月異。這就給地形圖保持現(xiàn)實(shí)性帶來了困難，直接導(dǎo)致縮短地形圖更新周期的必然結(jié)果；同時(shí)加快城市地形圖更新周期也是數(shù)字城市與智慧城市建設(shè)必須面對的一個(gè)問題，但是常規(guī)外業(yè)測繪已經(jīng)不能滿足大比例尺地形圖更新對速度與質(zhì)量的雙要求。近幾年來無人機(jī)發(fā)展速度迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域也深入到各行各業(yè)，如，大疆無人機(jī)應(yīng)用于土方計(jì)算，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)間隔高程采集，得到的土方量與傳統(tǒng)RTK測得的土方量結(jié)果吻合較好[1]；無人機(jī)三維測圖獲取建筑物立面，實(shí)現(xiàn)立面高精度展示，為城市規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)[2]；無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓電線巡視，提高了工作效率，降低了人工巡檢的危險(xiǎn)性[3]。

本文在吸取前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，嘗試?yán)脽o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，獲取所需更新地形圖區(qū)域的三維立體影像，并在此基礎(chǔ)之上利用某商業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)裸眼三維測繪?？朔藗鹘y(tǒng)正射影像矢量化地圖時(shí)屋檐無法改正、隱蔽點(diǎn)高程無法采集等缺點(diǎn)。最后，外業(yè)調(diào)繪地形圖將遮擋嚴(yán)密地方數(shù)據(jù)野外采集補(bǔ)齊、地貌屬性調(diào)繪完善最終形成要素齊全地形圖。利用傳統(tǒng)外業(yè)RTK—全站儀模式驗(yàn)證三維測圖的精度，其結(jié)果完全滿足1∶500比例尺要求。本文通過無人機(jī)技術(shù)建立起實(shí)時(shí)更新大比例尺地形圖的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，為城市建設(shè)快速發(fā)展保駕護(hù)航。

1.傳統(tǒng)1∶500比例尺地形圖更新模式的弊端

1.1 地圖要素變化發(fā)現(xiàn)困難

地形圖更新之前必須精準(zhǔn)獲取變化區(qū)域及變化要素，但目前對于各城市來說，準(zhǔn)確獲取地形圖變化區(qū)域主要還是以外業(yè)調(diào)繪為主，據(jù)實(shí)際工作中不完全統(tǒng)計(jì)，外業(yè)調(diào)繪巡視約占工作總量的70%[4]。并且隨著一線城市、二線城市眾多經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的成立，直接導(dǎo)致這些地塊地貌發(fā)生變化速度加快。同時(shí)這幾年城鎮(zhèn)化速度加快，樓市始終處于火熱狀態(tài)。拔地而起的高樓一天之間就會(huì)有變化，城市內(nèi)興修高架快速路、綠化種植等民生工程每天都在進(jìn)行。所以完全依靠野外調(diào)繪發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域時(shí)效性很差。

1.2 勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低

傳統(tǒng)的地形圖更新是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低的任務(wù)，依靠傳統(tǒng)測量儀器完成外業(yè)測繪任務(wù)，工作效率低[5-8]。例如某二線城市測繪院負(fù)責(zé)五環(huán)以內(nèi)12000km2的測圖任務(wù)，以現(xiàn)有的外業(yè)科室為主干，該部門8個(gè)班組共計(jì)16人承擔(dān)該項(xiàng)任務(wù)。以每人每天調(diào)繪外加實(shí)測3.2幅圖為例，需要工作日249d。一般城市大比例尺地形圖更新周期為一年。以這樣的速度很難做到一年一更新的要求。雖然利用CORS加全站儀常規(guī)方法是獲取大比例尺地形圖要素最有效的方法，但該方法存在工作量巨大、工作效率低、浪費(fèi)單位人力資源與物力的缺點(diǎn)。

2.無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于1∶500比例尺地形圖更新主要技術(shù)路線

在地形圖更新時(shí)，一般定制以下流程：研究確定策略、收集和分析已有資料、確定變化區(qū)域等幾個(gè)關(guān)鍵步驟技術(shù)路線。在利用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量主要過程包括傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，像控點(diǎn)外業(yè)選點(diǎn)與實(shí)測，空中三角測量加密及優(yōu)化，數(shù)字表面模型生成，紋理貼合與三維模型構(gòu)建，裸眼三維測圖，外業(yè)巡視、調(diào)繪與補(bǔ)測,主要流程（如圖1所示）:

圖1 傾斜攝影測量主要技術(shù)路線圖

2.1 傾斜攝影外業(yè)采集

選擇本區(qū)域有利的氣象條件開展飛行工作，確保影像能清晰顯示地貌與地形。風(fēng)速一般不大于5.6m/s，飛行時(shí)刻在中午前后左右最為適宜，這樣會(huì)減弱高聳建筑物、高大植被陰影對地面要素的遮擋。飛機(jī)機(jī)載POS數(shù)據(jù)采樣率不大于1s；飛行高度根據(jù)飛行區(qū)域設(shè)置，一般選擇該區(qū)域最高點(diǎn)高程值與最低高程值均值為航高。飛行速度一般設(shè)置為7m/s，這樣有利于飛機(jī)在飛行過程中不會(huì)因?yàn)轱w行速度過快而造成的飛機(jī)失穩(wěn)情況發(fā)生。航向重疊度一般設(shè)置為60%到65%，旁向重疊度設(shè)置為30%到40%，當(dāng)測區(qū)建筑較密集時(shí)?？蛇m當(dāng)增大航向重疊度與旁向重疊度，以減弱因航向重疊度不足而造成的建筑物幾何結(jié)構(gòu)粘連。

2.2 像控點(diǎn)測量

測量像控點(diǎn)是為了影像在空三加密后將相片坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為像控點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的工作，理論上像控點(diǎn)越密集，空三解算精度越高。但無疑會(huì)增加工作強(qiáng)度與增加物力、財(cái)力。一般像控點(diǎn)實(shí)測采用城市CORS系統(tǒng)，利用RTK野外選擇在影像判別清晰的地物角位置，像控點(diǎn)分布以滿足影像空三解算為前提，一般在測區(qū)周邊及中心位置選擇適合的數(shù)量像控點(diǎn)，有條件單位可選擇強(qiáng)制對中像控點(diǎn)。像控點(diǎn)選擇一般滿足以下條件：

（1）像控點(diǎn)需選擇較為尖銳的標(biāo)志物，以提高內(nèi)業(yè)精度；

（2）像控點(diǎn)標(biāo)志物尺寸應(yīng)不大于70cm，且明確指出具體點(diǎn)位是標(biāo)志物哪一部分；

（3）像控點(diǎn)盡量選擇平坦地區(qū)，避免樹下、屋角等容易被遮擋的地方。

2.3 空三加密與三維模型重建

相較于傳統(tǒng)航天航空正射影像空三解算，傾斜攝影空三解算自動(dòng)化程度、人工干預(yù)少、解算精度高、速度快，而且飛機(jī)自帶POS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)提供相片的外方位元素。利用與無人機(jī)配套的軟件進(jìn)行空三解算、空三優(yōu)化及模型重建。

2.4 三維測圖

目前國內(nèi)許多測繪軟件公司開發(fā)出裸眼三維測圖軟件，其具備直接采集墻角或者墻面獲取房屋圖形信息；高程通過面選或者線選可以生成符合1∶500比例尺地形圖要求的間隔，相較于傳統(tǒng)數(shù)字野外測圖方法，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全視覺無死角采集，可對同一地方進(jìn)行多視角重復(fù)采集，極大地提高了效率，減少了外業(yè)工作時(shí)間。

3.實(shí)例驗(yàn)證

3.1 項(xiàng)目實(shí)施情況

某省會(huì)城市負(fù)責(zé)接管某地級(jí)市下屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該省會(huì)城市為掌握該鎮(zhèn)基本情況，委托本市測繪院進(jìn)行該鎮(zhèn)區(qū)域1∶500地形圖更新任務(wù)，該區(qū)域10.8km2，地勢較平坦，丘陵較少，多以城鎮(zhèn)房屋為主，以農(nóng)村耕地、溫室大棚為輔，正值春季地面無積雪，耕地中無經(jīng)濟(jì)作物為傾斜攝影航飛提供有利條件。測區(qū)范圍影像圖（如圖2所示）：

圖2 測區(qū)范圍

本次飛行任務(wù)選用的為大疆無人機(jī)，該無人機(jī)是一臺(tái)四旋翼小型無人機(jī)，該機(jī)具備厘米級(jí)定位精度并且具備穩(wěn)定平衡系統(tǒng)，飛機(jī)最大續(xù)航為30min，搭載2000萬有效像素的專業(yè)攝影裝備，通過軟件控制可實(shí)現(xiàn)五方向連續(xù)航拍；本次任務(wù)航飛高度選擇110m，地面分辨率3.0cm,航向重疊度80%，旁向重疊度為70%。內(nèi)業(yè)處理三維模型構(gòu)建選用大疆公司研發(fā)的某軟件所生成三維立體模型（如圖3所示）:

圖3 三維模型

內(nèi)業(yè)采集軟件采用清華三維研發(fā)的EPS2016立體測圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將立體模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用osgb格式數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換至DSM格式三維數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)不佩戴立體眼鏡實(shí)現(xiàn)360°實(shí)景信息采集。并且實(shí)現(xiàn)多窗口二維、三維同步聯(lián)動(dòng)的功能，并支持多視角采集。該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)模型切割功能，方便道路采集；可實(shí)現(xiàn)高精度采集房屋等地物要素和相應(yīng)屬性錄入；同時(shí)支持對生成圖形進(jìn)行合法性數(shù)據(jù)檢查，包括屬性檢查、自相交檢查、邏輯檢查等等。通過本文提供的方法相比于傳統(tǒng)測量方法減少約為三分之二的時(shí)間，并且減少了大量的人力與物力。三維采集效果（如圖4所示）：

圖4 任意視角圖

3.2 立體測圖遇到的問題及解決方法

（1）矢量數(shù)據(jù)加載模型中經(jīng)常發(fā)生模型缺失情況，此時(shí)卸載模型并重新添加傾斜模型便可解決問題，并且添加矢量數(shù)據(jù)可節(jié)省加載時(shí)間；

（2）由于航飛時(shí)，某個(gè)方向出現(xiàn)攝像漏洞，導(dǎo)致個(gè)別建筑物出現(xiàn)模型粘連情況，此時(shí)采集房屋時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法捕捉房角與房面點(diǎn)情況；可采用模型切割功能，將建筑物以某一高度進(jìn)行水平切割，會(huì)將房面以某一厚度展現(xiàn)出來，此時(shí)再以面相交會(huì)出房屋。繪制植被下方道路時(shí)，特別是高大樹木遮擋的道路，也可以采用該功能。如果房屋被遮擋嚴(yán)重可通過調(diào)整視角與方向采集1-2個(gè)房角點(diǎn)，后期可通過外業(yè)補(bǔ)測補(bǔ)齊圖形；

（3）大面積耕地、道路需要生成高程點(diǎn)時(shí)，如采用點(diǎn)選方式工作效率低，但選擇面生成會(huì)遇到高程采集在車和樹木上面；此時(shí)可先用面生成相應(yīng)隔網(wǎng)間隔的高程點(diǎn)，在通過生成等高線來凸顯高程異常值點(diǎn)，直接刪除不合理的高程點(diǎn)即可。

3.3 精度分析與可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本測區(qū)1∶500比例尺成圖精度，依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T24356-2009）規(guī)定隨機(jī)抽取圖幅總數(shù)的10%外業(yè)打點(diǎn)檢查，外業(yè)采用Leica2秒級(jí)全站儀測量同名點(diǎn)坐標(biāo)，利用網(wǎng)絡(luò)RTK采集地面高程，每幅圖平面點(diǎn)50個(gè)，高程點(diǎn)30-50個(gè)，間距30-50個(gè)；對檢查平面和高程中誤差計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)采用如下公式所示，部分統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表1、表2所示）：

表1 高程精度統(tǒng)計(jì)成果表 單位：m

表2 平面點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)成果表 單位：m

式中，M為打點(diǎn)統(tǒng)計(jì)成果中誤差；n為打點(diǎn)總個(gè)數(shù)；Δ實(shí)測值與圖上值較差。

經(jīng)過外業(yè)打點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，平面位置中誤差為0.039m，其中最大值為0.088m，最小差值為0.002m；檢核點(diǎn)高程中誤差為0.044m，其中最大值為0.091m，最小值為0.01m。由此可見，成果滿足《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》中1∶500地形圖精度要求。

4.結(jié)束語

本文系統(tǒng)性總結(jié)了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于1∶500比例尺地形圖更新的方案流程，并以實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證了該方案在精度上的可行性，與實(shí)際操作上的適用性。目前制約該技術(shù)的發(fā)展其硬件方面包括無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間有待加強(qiáng)以及鏡頭相機(jī)像素、分辨率還可以再提高，軟件方面包括飛機(jī)控制系統(tǒng)、三維模型生成系統(tǒng)、立體測圖系統(tǒng)都可以有很大的進(jìn)步空間，并且隨著5G技術(shù)的發(fā)展與成熟，數(shù)據(jù)傳輸與處理有著更廣闊的發(fā)展空間。以下幾個(gè)方面是值得深入研究：

（1）根據(jù)三維模型自動(dòng)或者半自動(dòng)采集數(shù)字線劃圖；

（2）推廣成果的應(yīng)用，如，不動(dòng)產(chǎn)三維提供發(fā)證的精度，使得圖形更直觀、更能被公眾接受；

（3）依靠傾斜測量技術(shù)生產(chǎn)出高精度、精細(xì)化、真實(shí)感、定制化的三維地理信息數(shù)據(jù)，為基礎(chǔ)地理信息行業(yè)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。