孫 愷，肖 磊，杜 沖

（山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013）

攝影測(cè)量是指運(yùn)用攝影機(jī)和膠片組合測(cè)量目標(biāo)物的大小、形態(tài)和三維空間位置的技術(shù)。其歷史可以追溯到很遠(yuǎn)，自1839年攝影術(shù)被發(fā)明之后開(kāi)始，攝影測(cè)量距今已有170多年的歷史。剛開(kāi)始采用的是解析攝影測(cè)量，其效率和精確度都不是很理想，但之后出現(xiàn)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量則完全改變了人們對(duì)于攝影測(cè)量的看法，對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量測(cè)繪方式是一種顛覆。而航空攝影在地形測(cè)繪中是實(shí)時(shí)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，在形式上具有領(lǐng)先時(shí)代的意義。

1 用于測(cè)繪地形的概況

在實(shí)際的地形測(cè)繪工程中，測(cè)量工作者不可避免的會(huì)碰到很復(fù)雜的山地地形，一般情況下這樣進(jìn)行傳統(tǒng)測(cè)量的成本會(huì)很高，而且測(cè)量精度會(huì)受到人工、天氣、自然地質(zhì)環(huán)境的影響，對(duì)于測(cè)量的精確度影響會(huì)比較大。若是恰巧碰到雨季，淤泥和泥石流的風(fēng)險(xiǎn)也讓傳統(tǒng)人工測(cè)繪望而卻步。而采用航空攝影測(cè)繪則可以完全避免這種情況，首先，對(duì)于山地的測(cè)量采用的是全方位的三維立體數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，由無(wú)人機(jī)和固定攝像頭進(jìn)行拍攝，可以由工作人員在后臺(tái)進(jìn)行控制，完成復(fù)雜的測(cè)繪工作。

例如，在有暴雨天氣的復(fù)雜山脈，要測(cè)繪山脈具體一個(gè)角落的地形概況，這時(shí)候就可以采用航空攝影的方式。如下圖所示，無(wú)人機(jī)可以固定數(shù)碼相機(jī)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與地面聯(lián)絡(luò)站保持信息同步傳輸，飛行器采用交互式飛行路徑，對(duì)于山脈的每一個(gè)面進(jìn)行不同角度的拍攝，最終將所拍攝到的照片文件整合到一起，用圖像和3D繪圖處理軟件進(jìn)行整合處理，得到該地區(qū)的地形三維立體圖。一般的地形測(cè)繪可能要用到matlab和CAD等圖像處理軟件，再根據(jù)實(shí)際拍攝的照片提取地域特征進(jìn)行仿真模擬，設(shè)置一定的閾值，從而制作出常見(jiàn)的地形圖的形式。以測(cè)繪地形為目標(biāo)的航空攝影往往取用豎直攝影方式，一般情況下攝影機(jī)在曝光的瞬間物鏡主光軸需要保持時(shí)刻鉛直。而事實(shí)上，由于飛機(jī)的平穩(wěn)性和攝影技能的局限性，數(shù)碼相機(jī)的主光軸在曝光時(shí)總會(huì)有微小的傾斜，按規(guī)定要求像片傾角應(yīng)小于兩到三個(gè)角度，這種攝影方式被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為豎直攝影（如圖1）。

圖1 測(cè)繪地形結(jié)構(gòu)圖

2 野外調(diào)繪及修補(bǔ)工作

由于光照、河流、雨季、生態(tài)等各種環(huán)境因素的影響，在大致了解區(qū)域地形之后，對(duì)野外進(jìn)行調(diào)繪和修補(bǔ)工作一直是地形測(cè)繪工作中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。野外地形復(fù)雜，而且多保護(hù)動(dòng)植物，人為的進(jìn)行地形勘測(cè)和修正非常耗時(shí)間，而且容易造成生態(tài)環(huán)境的破壞，對(duì)于最終的圖像準(zhǔn)確度影響很大。這就要考慮是否可以采用無(wú)人機(jī)或者載人飛機(jī)進(jìn)行航空拍攝。航空拍攝采用無(wú)人機(jī)是考慮到氣候天氣不適合載人飛機(jī)出行，容易造成風(fēng)險(xiǎn)的情況，而在天氣比較晴朗，而所測(cè)量的地貌并非很崎嶇的山路時(shí)，考慮到測(cè)量的精確度，最好還是采用載人飛機(jī)，測(cè)繪工作人員可以更加準(zhǔn)確的做出實(shí)時(shí)判斷，這是遠(yuǎn)程控制不具備的。

例如，在對(duì)一片海拔較低的山麓進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，由于無(wú)人機(jī)航拍的局限性，很多攝像效果不好的底片不能提供準(zhǔn)確的地形數(shù)據(jù)，這時(shí)可以采用載人飛機(jī)進(jìn)行野外調(diào)繪和修補(bǔ)工作?？紤]到本試驗(yàn)區(qū)人工地物較少的特點(diǎn)，為提高生產(chǎn)效率，采用先內(nèi)業(yè)后外業(yè)的成圖方法成圖。野外調(diào)繪要將原來(lái)的概況地形圖為測(cè)繪底圖，利用RTK、全站儀、圈尺等工具進(jìn)行房檐改正、地名調(diào)注，新設(shè)隱蔽地物，備注地物和采集丟漏的地物，糾正內(nèi)業(yè)采集錯(cuò)誤的地物，并對(duì)成果圖結(jié)果進(jìn)行全面核查、修改和精度檢驗(yàn)。根據(jù)光照區(qū)域隨太陽(yáng)移動(dòng)而發(fā)生變化這一原理，載人飛機(jī)需要及時(shí)更改測(cè)量方向，在正常情況下，三天時(shí)間可以完成直徑五十里范圍內(nèi)的山脈地形勘誤。如下圖所示，由于山體連貫，兩邊山體的在不同時(shí)間拍攝的效果也是不同的，靠近河流的一側(cè)樹(shù)木比較繁茂，仍需采用載人飛機(jī)進(jìn)行航空拍攝，從而能夠從三維的角度勾繪出山體具體的地形走向。航空攝影技術(shù)在民用測(cè)繪工作中的應(yīng)用受到很多限制，其主要利用的是航空攝影穩(wěn)定性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。航空攝影測(cè)量技術(shù)一般情況下應(yīng)用在航天飛機(jī)和衛(wèi)星的研究中，航空攝影測(cè)量技術(shù)信息的精確度高、可以共享、實(shí)時(shí)性強(qiáng)特點(diǎn)。在測(cè)量中一般會(huì)使用優(yōu)質(zhì)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影，航空攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)量工程的測(cè)量技術(shù)中具有優(yōu)越性（如圖2）。

圖2 航空攝影測(cè)量工程圖

3 空中三角測(cè)量

在使用航空數(shù)碼攝像器材進(jìn)行地形測(cè)量的過(guò)程中，往往采用的不是專(zhuān)家和工作人員手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整修改，而是采用攝影裝置的自動(dòng)化的計(jì)算與生成。這里的空中三角測(cè)量，指的是經(jīng)過(guò)人工選擇連接點(diǎn)以完成相對(duì)定向、模型連接、航帶連接，連接點(diǎn)和像控點(diǎn)的點(diǎn)位需反復(fù)調(diào)試，使其滿足比例和精度的要求，在大比例尺下，很多細(xì)枝末節(jié)的地方都需要納入測(cè)繪系統(tǒng)之中，這用常規(guī)的巡回式拍攝方法顯然不能實(shí)現(xiàn)要求，空中三角測(cè)量的優(yōu)越性也體現(xiàn)在這個(gè)地方。

例如，在對(duì)如圖所示的復(fù)雜山體進(jìn)行地形測(cè)繪時(shí)，所用到的比例是非常大的，圖示上方的懸梁主要起支撐作用，防止投影器脫落，而投影器的作用是對(duì)山體各個(gè)方向進(jìn)行光照采集，根據(jù)反射過(guò)來(lái)的光線強(qiáng)度和色彩，運(yùn)用大量數(shù)據(jù)分析，得到最可能的地形概況，最后再通過(guò)具體實(shí)地測(cè)繪，得到更加精確的結(jié)果。在空中三角測(cè)量的硬件實(shí)現(xiàn)上，要借助物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式的相關(guān)零件，構(gòu)建一個(gè)具有聲光電傳感器的傳感裝置，以便與相應(yīng)的軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)，可以遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)。測(cè)繪器的主要功能便是實(shí)現(xiàn)山地或其他地貌空間幾何模型的構(gòu)建。空中三角測(cè)量需要非常高的飛行穩(wěn)定性，對(duì)飛機(jī)平衡要求極高，在一些狹隘的山口由于會(huì)有較大的風(fēng)，這時(shí)采取三角測(cè)繪具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，因此這種航空攝影的方式需要視具體情況使用。信息修正工作也需要用到空中三角測(cè)量，在上述步驟之后，只是對(duì)地形圖的概況有了一定的了解，繪制出的立體圖缺少很多細(xì)節(jié)的補(bǔ)充，線條在大比例尺的地圖上過(guò)于平滑，無(wú)法確定具體小比例尺區(qū)域的地形情況，這時(shí)可以采用空中三角測(cè)量的空中攝影方式（如圖3），對(duì)所勘測(cè)繪制區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的補(bǔ)充修正。

圖3 三角測(cè)量的空中攝影方式

4 現(xiàn)代航空攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

低空數(shù)碼航空攝影在各種地形測(cè)繪領(lǐng)域都具有很廣泛的應(yīng)用，而與之對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)測(cè)繪方式，在人力、物力以及工程進(jìn)度方面則有所不及。傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)在對(duì)工程的具體監(jiān)管上也有一定的延時(shí)性，不能保證每一片區(qū)域的測(cè)量都按照計(jì)劃執(zhí)行。對(duì)外部環(huán)境依賴(lài)過(guò)大，導(dǎo)致測(cè)量體系無(wú)法完成流水一體化作業(yè)，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)繪進(jìn)度，這也是為什么傳統(tǒng)的測(cè)繪要花費(fèi)大量人力物力而且工程進(jìn)度還很慢。而現(xiàn)代航空攝影具有原始航空攝影不具備的優(yōu)勢(shì)。

例如，現(xiàn)代航空攝影技術(shù)以全數(shù)字式的航空攝影測(cè)量理論為基礎(chǔ)，在工作效率和實(shí)時(shí)精確度方面有了卓越的提升效果，增加了地形測(cè)繪的可靠性。在進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪工作時(shí)，航空攝影所用到的數(shù)碼相機(jī)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)感光度ISO、光圈、快門(mén)等等，在陰雨天氣或者夜晚通過(guò)相關(guān)調(diào)整，也可以采集到比較清晰的測(cè)量影像。因此利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地形工程的測(cè)繪，不僅可以減少工作時(shí)間，提高工作的整體效率，還可以減少依此測(cè)繪所用成本。目前現(xiàn)代航空亟待解決的首要問(wèn)題是基建工作沒(méi)有做好，在很多偏遠(yuǎn)山區(qū)的測(cè)繪工作沒(méi)有實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，沒(méi)有設(shè)備方面的支持很難實(shí)現(xiàn)高效率的大比例尺地形測(cè)繪。迷你型飛機(jī)在云平臺(tái)的控制下，可以實(shí)現(xiàn)更加細(xì)膩的調(diào)位控制，有效避免了空中攝影可能導(dǎo)致的碰撞和平衡控制問(wèn)題。測(cè)繪人員可以對(duì)具體不同的山脈采取不同的航空攝影形式，不再局限于單一的選擇，例如可以在需要精測(cè)的地區(qū)派遣工作人員前往實(shí)地勘測(cè)補(bǔ)正，而在比較危險(xiǎn)高聳的山壁區(qū)域則全部采用無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程對(duì)接，在測(cè)繪難度較大而常人難以攀登的地方則可以采用載人飛機(jī)航空拍攝的折衷方案。

5 總結(jié)

綜上所述，在現(xiàn)代航空攝影技術(shù)的加入下，大比例尺地形測(cè)繪工作發(fā)生了翻天覆地的變化，主要用于構(gòu)建測(cè)繪地形概況，以及對(duì)相片等資料的控制，還可以實(shí)現(xiàn)空中三角測(cè)量，野外調(diào)繪及修補(bǔ)工作。相較常規(guī)的地形測(cè)繪工程，航空攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不言而喻，在內(nèi)業(yè)采編和修改時(shí)，采用JC4、CEOWAY等軟件進(jìn)行整理操作，最后再根據(jù)實(shí)際情況用CAD軟件進(jìn)行最后匯編。本文主要闡述了航空攝影在大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用，旨在為復(fù)雜地域的地形測(cè)繪有所幫助。