潘蘭蘭

（成都成房測繪有限責(zé)任公司，四川 成都 610074）

0.引言

在獲取高精度、大比例尺地形圖中[1]，作業(yè)中既滿足精度要求，又節(jié)省時間和成本，減小工作量[2]，是測繪人一直努力追求的方向[3]。當(dāng)前，無人機技術(shù)的日趨成熟和傾斜攝影測量技術(shù)的大力發(fā)展[4]，為把野外實地場景轉(zhuǎn)入室內(nèi)，給內(nèi)外業(yè)工作轉(zhuǎn)換提供了空間，為實景三維模型的生產(chǎn)提供了極大地便利。

無人機傾斜攝影測量利用航空攝影大規(guī)模成圖的特點，運用從傾斜影像上批量提取和粘貼紋理的方式，能夠大大降低三維建模成本，且具有影像高精度、模型精細(xì)化、模型真實化的數(shù)據(jù)特點[5]。傾斜攝影測量獲取的影像數(shù)據(jù)，可以處理成DOM、DLG及DEM等不同格式的數(shù)據(jù)格式，并且數(shù)據(jù)能進(jìn)行矢量化等操作，擴(kuò)展了其應(yīng)用的范圍，滿足不同領(lǐng)域的需要。通過運用配套的軟件，傾斜影像可對單張影像進(jìn)行量測，可直接利用成果影像進(jìn)行包括長度、高度、角度、坡度等空間信息，擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在測繪及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前已有學(xué)者研究了傾斜攝影測量原理及相關(guān)技術(shù)，提出了一種基于無人機獲得三維實景模型進(jìn)行大比例尺地形圖的生產(chǎn)方法[5]，通過實例驗證及精度分析，在平坦區(qū)域可滿足大比例尺地形圖精度要求，適用于小面積、地物較復(fù)雜區(qū)域的大比例尺地形圖測繪生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中有一定的指導(dǎo)意義。

本文的創(chuàng)新點在于利用無人機傾斜攝影構(gòu)建實景三維模型，進(jìn)行立體測圖，探討內(nèi)外業(yè)轉(zhuǎn)換的作業(yè)方法，并進(jìn)行有效地結(jié)合。本文利用無人機傾斜攝像系統(tǒng)獲取影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建實景三維模型，并基于三維模型實現(xiàn)數(shù)字化測圖，不僅節(jié)約了人力成本，在技術(shù)和精度上都有大幅地提升，填補了此項目區(qū)域高精度地形圖的空白，本文的作業(yè)方案為內(nèi)—外—內(nèi)的操作流程，將主要工作在內(nèi)業(yè)進(jìn)行信息采集，后期通過外業(yè)尋圖及實地驗證后在內(nèi)業(yè)進(jìn)行完善。

通過前期研究及對比，本次作業(yè)我們采用了全新的技術(shù)路線，基于傾斜攝影測量的三維數(shù)字測圖，該方法能夠充分發(fā)揮三維模型的優(yōu)勢，相當(dāng)于把實地的東西移到了電腦上，在內(nèi)業(yè)也可以去除屋檐等對精度帶來影響，可以準(zhǔn)確判讀出房屋結(jié)構(gòu)、層數(shù)，可讀取的信息更多。相較于傳統(tǒng)的全站儀測圖法及傳統(tǒng)航測成圖方法，無須大量的外業(yè)人員，能夠明顯地縮短工期及降低成本，同時成圖精度均勻，并且精度可控，可在一定程度上明顯提高精度。

1.研究區(qū)概況

珠嘉鎮(zhèn)位于四川省仁壽縣東北部，緊鄰縣城。全鎮(zhèn)屬淺丘地貌，被蓉遵高速公路、仁壽大道、仁簡路橫穿，交通區(qū)位優(yōu)勢明顯。全鎮(zhèn)幅員面積37.6km2，轄6個行政村、1個社區(qū)。珠嘉鎮(zhèn)擁有“生態(tài)建設(shè)先進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)”“重點發(fā)展先進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)”等榮譽，境內(nèi)屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。

此次數(shù)字測圖工作主要是完成公安標(biāo)準(zhǔn)地址信息的采集、編輯、1∶500比例尺地形圖測繪生產(chǎn)等工作。全鎮(zhèn)測圖面積約為1.2km2，并沒有集中連片，而且地形條件復(fù)雜，建筑多樣、密集，同時精度要求較高。項目作業(yè)工期較短，且屬于夏季，多雨水，下雨天不利于野外實測，運用傳統(tǒng)的全野外采集方法，無法滿足工期的要求。

目前數(shù)字地形圖的測繪方法仍以傳統(tǒng)的全站儀+RTK的模式為主，該種方法需要大量的外業(yè)人員，并且對外業(yè)人員的水平要求較高。近年來，因測繪市場的導(dǎo)向，熟練的傳統(tǒng)數(shù)字測圖人員少之又少，這導(dǎo)致了數(shù)字化測圖的成本一直居高不下。全站儀自動跟蹤測量模式，可以實現(xiàn)測站的無人操作，實現(xiàn)單人數(shù)字測圖，但目前這種儀器價格昂貴，僅適用于特定的應(yīng)用場合，不適用于大面積的、廣泛的測圖作業(yè)。傳統(tǒng)的航測作業(yè)模式，較少采用立體采集，主要是針對平面采集，且平面的采集精度需要加強。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它是通過高速激光掃描測量的方法，具有實時動態(tài)高效率、高密度、高精度，自動化等特性，可以快速、大量地采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。但目前，該方法的成本還較高，數(shù)據(jù)處理也比較復(fù)雜。

本文在建立仁壽縣珠嘉鎮(zhèn)大比例尺地形圖的實景三維模型時，采用無人機傾斜攝像系統(tǒng)獲取影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建實景三維模型，并基于三維模型實現(xiàn)數(shù)字化測圖，研究將三維立體采集與立體測圖進(jìn)行完美結(jié)合，既提升了效率，節(jié)約了成本，又增加了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，在實際生產(chǎn)中具有重要意義。

2.作業(yè)技術(shù)路線

本研究擬采用航測傾斜攝影測量+三維立體采集+外業(yè)補充調(diào)查為總體方案，通過無人機傾斜攝影獲取影像與立體模型，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行實景三維模型，在室內(nèi)進(jìn)行三維立體采集與立體測圖，后期通過外業(yè)尋圖及實地驗證，并對影像更新后的實地變化進(jìn)行補測補調(diào)，最后在內(nèi)業(yè)對測量成果進(jìn)行完善，總的技術(shù)路線（如圖1所示）：

圖1 技術(shù)路線圖

3.三維數(shù)字測圖

3.1 影像數(shù)據(jù)獲取

無人機由于具有便攜、快速、靈活的特點，是傾斜攝影較好的飛行平臺，通過在無人機飛行平臺上搭載含有5個相機鏡頭的數(shù)碼相機，其中，有一個垂直鏡頭，用于獲取底部區(qū)域的正射影像，其余4個鏡頭分別獲取前后左右方向的傾斜影像。

本研究分別采用迪奧普無人機系統(tǒng)和精靈4pro+飛馬D1000控制系統(tǒng)獲取測區(qū)的頂視數(shù)據(jù)及側(cè)視數(shù)據(jù)。其中，利用精靈4pro自帶的攝影系統(tǒng)（如圖2所示）能快速獲取傾斜影像，該系統(tǒng)相比較于其他航空傾斜攝影系統(tǒng)具有成本低，飛行可靠性高，操作簡單等優(yōu)勢，同時其精度較高，可以滿足三維建模高精度、高分辨率數(shù)據(jù)獲取的要求。

圖2 精靈4pro無人機傾斜攝影系統(tǒng)

航測影像獲取時，獲取數(shù)據(jù)的精度（航攝比例尺及成圖比例尺的設(shè)定、地面分辨率等）及質(zhì)量，像控點布設(shè)的合理性，航線的布設(shè)等都是影響最終成果質(zhì)量的制約因素，也是三維測圖前期的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，每一步都應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量把控，并在空三加密時進(jìn)行驗證，無法達(dá)到精度要求則需補飛進(jìn)行加密，以滿足后續(xù)的采集精度（1∶500大比例尺）要求。

3.2 三維模型構(gòu)建

運用smart 3D軟件，對傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，生產(chǎn)實景三維模型（如圖3所示）。以所見即所得的方式把所有地形、地物真實地反映在三維模型上。三維建模的具體流程：利用建模軟件對照片進(jìn)行建模，將照片導(dǎo)入到建模軟件中，通過計算機圖形計算，結(jié)合POS信息空三處理，生成點云，點云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型。

圖3 smart 3D進(jìn)行三維建模

本研究中三維建模充分發(fā)揮了工作站的優(yōu)勢，通過局域網(wǎng)聯(lián)機，使用建模軟件并行運算，大大提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。經(jīng)測試，在使用4臺工作站進(jìn)行并行運算時，0.4km2的三維模型全生產(chǎn)周期約為4h，其中，自由網(wǎng)匹配與空三加密約2h，三維模型構(gòu)建約為2h。一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)約1.2km2的數(shù)據(jù)，3500余張影像數(shù)據(jù)，自由網(wǎng)匹配與空三加密約4h，三維模型構(gòu)建約為6h。相對于單機全流程大概需要48h的時間而言，多機并行運算體現(xiàn)了高效的建模效率。

3.3 三維立體采集

本研究的生產(chǎn)基本路線確定采用攝影測量的方式進(jìn)行。為滿足成圖精度要求，航測技術(shù)路線確定為在三維模型上采集建筑物及附屬設(shè)施，在立體模型上采集等高線、高壓線、電力線等其他要素。內(nèi)業(yè)對遮擋不便采集或無法準(zhǔn)確定位的地方進(jìn)行標(biāo)注，需要外業(yè)調(diào)繪補測，進(jìn)一步提升成圖精度。

在三維模型上采集信息，首先要保證是三維建模的精度需要在0.05m精度范圍內(nèi)，這對飛行和建模有很高的要求，其次是人員在信息采集時的專業(yè)水平。利用SV360軟件在三維模型上進(jìn)行立體采集（如圖4所示），在三維模型上需要采集的要素包含：建成房屋（包括房檐）、棚房、圍墻、柵欄、門頂、雨罩、陽臺、支柱、廊房、通廊、飄樓、通道、臺階等構(gòu)筑物。其中，很多要素是在常規(guī)立體測圖中是不能辨識或不可視的。

圖4 SV360進(jìn)行立體采集

3.4 立體測圖

采用立體測圖對房屋以外的其他要素進(jìn)行測量。相對于立體測圖，在三維模型中采集線狀地物的效率要低很多，尤其是對樹木遮擋下的線狀的類要素采集是很困難的。所以，為了保證測圖的精度和效率，我們采用三維模型采集與立體采集相結(jié)合的方式，且二者的精度可以相互驗證，采集的要素可以相互補充，經(jīng)實地驗證這是一種切實可行的生產(chǎn)手段。

3.5 外業(yè)尋圖

本文的作業(yè)方案為內(nèi)—外—內(nèi)的操作流程，即內(nèi)業(yè)采集完成后，需要通過外業(yè)尋圖及實地驗證，并對影像更新后的實地變化進(jìn)行補測補調(diào)，并在內(nèi)業(yè)對測量成果進(jìn)行更新，最后在內(nèi)業(yè)進(jìn)行成果完善，進(jìn)一步優(yōu)化測繪成果。

3.6 數(shù)據(jù)建庫

在完成了珠嘉鎮(zhèn)內(nèi)業(yè)形圖生產(chǎn)后，最終利用iData數(shù)據(jù)工廠將地形圖進(jìn)行地物構(gòu)面、拓?fù)潢P(guān)系檢查與處理、屬性一致性檢查與處理，最終建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫（如圖5所示），方便數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)更新及相關(guān)研究的綜合應(yīng)用。

圖5 朱嘉鎮(zhèn)成果地形圖

4.成果質(zhì)量檢查

為確定外業(yè)調(diào)繪、補測需要完成的準(zhǔn)確工作內(nèi)容，以及對三維模型測圖質(zhì)量情況檢查，進(jìn)行實地調(diào)查與內(nèi)業(yè)成圖精度對比，通過傳統(tǒng)測量方法，利用RTK、全站儀、皮尺等儀器采集建筑物拐點坐標(biāo)、栓距、地面高程等作為精度檢查的依據(jù)，并巡視檢查了地形圖與實際的符合性。

經(jīng)過實地檢查與數(shù)據(jù)對比，從表1、表2、表3中可以看出：當(dāng)三維模型可視情況良好的情況下，平面位置精度在5cm-10cm，邊長誤差基本在5cm以內(nèi)，高程誤差在10cm左右。精度完全能滿足1∶500比例尺地形圖測繪的要求。在高程檢查中，均選擇三維可視情況好的特征點進(jìn)行現(xiàn)場高程采集檢查，通過檢查表發(fā)現(xiàn)，差值均在±0.1m左右，在限差范圍內(nèi)，相對于平面精度，高程精度較高，今后可考慮該高程誤差屬于此種作業(yè)方法的固定誤差。

表1 邊長檢查記錄表

表2 平面坐標(biāo)檢查記錄表

表3 高程精度檢查記錄表

如發(fā)現(xiàn)平面或者高程出現(xiàn)一點可視或者不可視的情況，精度可能出現(xiàn)稍差的情況，可考慮在外業(yè)尋圖及實地驗證時，對這種特定位置進(jìn)行補測補調(diào)，以確保成圖精度。但實地這些位置往往是不好采集的（如，檐廊、廊房角等位置，外業(yè)采集并不好操作），這也充分體現(xiàn)了立體測圖的優(yōu)勢。

5.結(jié)束語

本次作業(yè)我們采用了全新的技術(shù)路線，基于傾斜攝影測量的三維數(shù)字測圖成果無論是平面還是高程都能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。對于地形圖精度有更高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，如，施工、房產(chǎn)測繪等，本次研究的成果精度還是不能完全滿足。但在平面上可以考慮通過獲取更高分辨率的航攝影像去構(gòu)建精細(xì)的三維模型來提升精度，高程精度可以考慮通過三維激光掃描的數(shù)據(jù)來補充提升。

本次作業(yè)方案充分利用在內(nèi)業(yè)采集三維立體信息，減少了對天氣的依賴，結(jié)合外業(yè)尋圖及補測補調(diào)，使三維立體采集與立體測圖進(jìn)行完美結(jié)合，既提升了效率，又增加了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。目前很多公司也嘗試在三維數(shù)字測圖、河湖管理范圍劃定等項目中的應(yīng)用，這也必將是今后地理信息產(chǎn)業(yè)的一個發(fā)展方向。在節(jié)約時間和成本的同時，不斷提升成果精度，也是測繪人不斷追尋的方向。