羅智偉LUO Zhi-wei；辛詠詩XIN Yong-shi

（廣東省地圖院，廣州 510000）

0 引言

傾斜攝影三維建模是從一個正射、四個傾斜的角度獲取測區(qū)高分辨率傾斜航空影像并生產(chǎn)三維模型的方法，具有靈活、高效率等特點(diǎn)，在小面積測區(qū)和數(shù)字化測圖困難測區(qū)獲取高分辨率三維模型方面具備明顯優(yōu)勢。機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，LiDAR）技術(shù)，是一種能夠直接獲取測區(qū)地形表面密集采樣點(diǎn)空間坐標(biāo)的對地定位技術(shù)。對比傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，機(jī)載LiDAR技術(shù)能夠穿透密集植被獲取真實(shí)的地表三維信息，具有高精度高程信息，可提供海量點(diǎn)云，可全天不間斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集等優(yōu)勢。配合矢量數(shù)據(jù)三維采集軟件，通過裸眼采集地物矢量信息，生成數(shù)字線劃圖，比傳統(tǒng)全野外測圖具有更高的效率。文章先是探討了這一技術(shù)路線，然后通過項(xiàng)目實(shí)例，驗(yàn)證了該技術(shù)在1:500地形圖生產(chǎn)中的可行性。

1 主要技術(shù)路線

1∶500 地形圖生產(chǎn)，根據(jù)攝影測量法成圖，以航空攝影時的地物現(xiàn)狀為準(zhǔn)，根據(jù)傾斜三維模型進(jìn)行裸眼內(nèi)業(yè)全要素采集，利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生成測區(qū)高程點(diǎn)和等高線。對于航空影像不明晰造成內(nèi)業(yè)無法采集的要素，進(jìn)行外業(yè)修補(bǔ)測，修補(bǔ)測時以實(shí)際調(diào)繪為準(zhǔn)。技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 傾斜三維模型構(gòu)建

使用無人機(jī)數(shù)字航空攝影的方式，采集測區(qū)高分辨率的傾斜航空影像，通過野外實(shí)測的方式獲取一定數(shù)量的像控點(diǎn)三維坐標(biāo)，經(jīng)過空中三角測量解算航空影像的外方位元素，構(gòu)建相應(yīng)的立體模型，然后使用影像匹配技術(shù)生產(chǎn)數(shù)字地表模型，對航空影像進(jìn)行微分糾正和映射紋理，得到測區(qū)傾斜三維模型。

基于傾斜攝影測量的三維建模技術(shù)通常包括影像匹配、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、TIN網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射等技術(shù)。

影像匹配，即同名像點(diǎn)提取及匹配，指在不同影像上對相同地物提取地物像點(diǎn)，然后通過匹配得到精確的地物像點(diǎn)坐標(biāo)。多視影像聯(lián)合平差是對傾斜攝影方式獲取的不同角度影像平差的方法。由于光束法平差模型理論完整，平差結(jié)果較好，因此實(shí)際生產(chǎn)過程中大多使用光束法進(jìn)行平差?？罩腥菧y量是傾斜攝影測量解算過程的關(guān)鍵步驟，其原理是解算影像特征匹配獲取的連接點(diǎn)，獲取每張影像外方位元素，再配以地面實(shí)際量測的控制點(diǎn)坐標(biāo)，將自由網(wǎng)狀態(tài)下的成果納入到目標(biāo)坐標(biāo)系中。多視影像密集匹配指將空三加密后的加密點(diǎn)云根據(jù)相應(yīng)的算法構(gòu)建高密度點(diǎn)云。

傾斜三維模型的本質(zhì)是超高密度點(diǎn)云構(gòu)建的網(wǎng)格面模型。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高程信息，點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)有兩種方式：規(guī)則格網(wǎng)（Regular Grid）和不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangular Irregularly Network）。TIN是由三個具有三維坐標(biāo)的密集點(diǎn)構(gòu)成的三角網(wǎng)絡(luò)，具有很好的延展性，能較好的表達(dá)不同地物，而且能夠表示起伏的地形。紋理映射的本質(zhì)是建立二維紋理空間點(diǎn)到三維空間物體表面點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，將二維空間點(diǎn)對應(yīng)的顏色值或灰度值映射到三維物體表面，得到符合真實(shí)色彩視覺的實(shí)景三維模型。

1.2 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云濾波、人工分類、等高線特征點(diǎn)提取、高程轉(zhuǎn)換等步驟。

機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是獲得初始Las點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時消除在數(shù)據(jù)獲取過程中產(chǎn)生的粗差和系統(tǒng)誤差。需要用到航飛過程中的GPS、IMU數(shù)據(jù)，通過聯(lián)合解算的方式獲得姿態(tài)信息，然后通過原始點(diǎn)云、姿態(tài)信息以及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的聯(lián)合解算，獲得單個激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟是地面點(diǎn)分類，也即濾波。其基本原理是基于相近的兩個激光點(diǎn)間的不同高程信息（不包含地形突變），初步建立地表三角網(wǎng)模型，提取出地表點(diǎn)，通過不斷迭代，反復(fù)在初始模型中加入鄰近的新激光點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最終得到一個近似的地表面。

通過計(jì)算機(jī)自動分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以獲得初始地形，但存在一些錯漏，如細(xì)小的田埂等這種起伏不大且不連續(xù)的地形也會被平滑，因此需要通過人機(jī)交互的方式重新進(jìn)行分類。人機(jī)交互分類方法是指參照高分辨率影像或者其他參考資料，對點(diǎn)云進(jìn)行剖面切分并輔以人工判讀，對自動分類之后的結(jié)果進(jìn)行人工修正分類。也可通過建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN格網(wǎng)），對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云進(jìn)行整體分類，先剔除掉低點(diǎn)、飛點(diǎn)，局部區(qū)域可根據(jù)剖面進(jìn)行細(xì)微的修正。

1.3 大比例尺地形圖成圖

在傾斜三維模型上進(jìn)行裸眼全要素采集，利用從激光點(diǎn)云中提取出的特征點(diǎn)云生成等高線和高程點(diǎn)。對內(nèi)業(yè)無法判讀的地物，使用全站儀和GNSS設(shè)備進(jìn)行外業(yè)修補(bǔ)測，內(nèi)業(yè)將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，最終成圖。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

本實(shí)例所選的測區(qū)位于陽江市某區(qū)域，地形以平地、丘陵為主，測區(qū)面積約0.8平方千米。項(xiàng)目坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000國家大地坐標(biāo)系，高斯-克呂格投影，中央子午線為111度，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

2.2 航飛與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測區(qū)的地形，結(jié)合地形圖成果精度要求。傾斜攝影航飛按照下視影像分辨率1.5cm、航向重疊度為75%、旁向重疊度為75%進(jìn)行，飛行高度約100m，航線間距約21m，拍照間距約14m。使用RTK的方式獲取POS數(shù)據(jù)。

機(jī)載LiDAR采用旁向50%的重疊度進(jìn)行設(shè)計(jì)，航線高度約100m，采用重復(fù)掃描，掃描頻率為180kHz，采用三回波的方式。航飛期間全程保持RTK連接。

2.3 像控點(diǎn)布測

像控點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的方式，按照200m*300m的格網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)，每平方公里不少于15個，地形起伏較大的區(qū)域在上述基礎(chǔ)上適當(dāng)加密。每1平方千米至少布設(shè)1個檢查點(diǎn)用于空中三角測量檢查。

像控點(diǎn)實(shí)際布點(diǎn)采用刷漆或者貼膠布的形式，在硬化地表上進(jìn)行標(biāo)記。采用GDCORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK作為測量方法，由網(wǎng)絡(luò)RTK直接測定像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)。每個像控點(diǎn)測兩個測回，每個測回觀測不少于20個觀測值，采樣間隔為2～5s。數(shù)據(jù)采集設(shè)置單次觀測的平面收斂精度不應(yīng)大于2cm，高程收斂精度不應(yīng)大于3cm。

測區(qū)共測得18個像控點(diǎn)，2個檢查點(diǎn)。其中5個像控點(diǎn)使用千尋網(wǎng)絡(luò)RTK測得大地高坐標(biāo)，用于激光點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.4 傾斜三維建模

采用M300無人機(jī)搭載睿鉑DG3Pro，獲取測區(qū)內(nèi)航空影像數(shù)據(jù)，使用Get3D重建農(nóng)場（集群模式）。結(jié)合野外實(shí)測的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建測區(qū)內(nèi)高精度的傾斜三維模型數(shù)據(jù)，作為內(nèi)業(yè)地形圖采集的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傾斜攝影數(shù)據(jù)的空三處理使用Get3D軟件。首先導(dǎo)入航空影像，創(chuàng)建攝區(qū)空三工程文件，然后將攝區(qū)外業(yè)像控點(diǎn)量測到空三工程中，隨后進(jìn)行空中三角測量計(jì)算，攝區(qū)所有垂直和傾斜影像全部參與空三計(jì)算，經(jīng)過運(yùn)算處理，得到攝區(qū)空中三角測量成果。根據(jù)點(diǎn)位信息將控制點(diǎn)導(dǎo)入軟件進(jìn)行刺點(diǎn)，使用軟件對攝區(qū)進(jìn)行二次空三運(yùn)算，最終得到目標(biāo)坐標(biāo)系下的攝區(qū)空三結(jié)果，并生成空中三角測量成果報告。

模型重建選擇目標(biāo)坐標(biāo)系，統(tǒng)一原點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分塊合并。建模軟件根據(jù)空三密集匹配生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動匹配出密集的三角網(wǎng)，然后對三角網(wǎng)進(jìn)行自動紋理貼圖，模型重建并導(dǎo)出OSGB格式的傾斜三維模型數(shù)據(jù)。

2.5 激光點(diǎn)云處理

采用M300無人機(jī)搭載大疆L1激光掃描儀，獲取測區(qū)內(nèi)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并使用大疆制圖軟件、TerraSolid軟件、煤航點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理、地面點(diǎn)自動濾波、人工分類，提取出測區(qū)內(nèi)的等高線特征點(diǎn)。

點(diǎn)云預(yù)處理主要包括初始點(diǎn)云結(jié)算和.las文件生成，使用隨機(jī)附帶的大疆智圖軟件，進(jìn)行初始點(diǎn)云解算。

點(diǎn)云濾波主要采用TerraSolid軟件，使用的是漸進(jìn)式三角網(wǎng)算法。在軟件中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行提取地面點(diǎn)。由于軟件自動提取無法保證地面點(diǎn)能夠全部被正確提取出來，因此需要人工輔以修正。

人工分類需要參照模型和影像來進(jìn)行編輯修改，采用人機(jī)交互的方式，使用煤航點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對錯分、漏分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，以點(diǎn)云剖面為主要依據(jù)，建立地面數(shù)字高程模型判斷激光點(diǎn)的分類是否準(zhǔn)確且貼合地形，地形復(fù)雜的區(qū)域參考影像資料進(jìn)行輔助分析。

使用TerraSolid軟件提取等高線特征點(diǎn)，由于獲取的點(diǎn)云不是正常高，因此需要利用測區(qū)內(nèi)同名點(diǎn)的千尋坐標(biāo)和GDCORS坐標(biāo)，對等高線特征點(diǎn)進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換。將高程轉(zhuǎn)換后的等高線特征點(diǎn)導(dǎo)入到煤航點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，生成等高線。

2.6 地形圖采集

地形圖數(shù)據(jù)采集優(yōu)先采用內(nèi)業(yè)采集的形式。使用9.1及以上版本的南方CASS成圖系統(tǒng)、AutoCAD繪圖軟件在傾斜三維模型上進(jìn)行全要素的采集。

遇到內(nèi)業(yè)無法采集的地形要素時，采用外業(yè)碎部測量的形式補(bǔ)充采集。地形圖外業(yè)碎步測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK測圖與全站儀測圖相結(jié)合的模式進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集時均采用編碼法，外業(yè)采集點(diǎn)位時輸入相應(yīng)編碼，內(nèi)業(yè)根據(jù)編碼連線，編輯成圖。再將激光點(diǎn)云生成的等高線合并，經(jīng)過圖面整飾和分幅，得到1:500地形圖。部分成果如圖2所示。

3 精度分析

中誤差是衡量觀測精度的一種數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，可以很好地反映誤差精度，在測繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因此，文章引入中誤差計(jì)算公式對模型質(zhì)量進(jìn)行精度評價，公式如式（1）所示。

外業(yè)使用GNSS接收儀實(shí)測約50個檢核點(diǎn)，展點(diǎn)到地形圖上，得到誤差精度如表1所示。從結(jié)果中可以看出，成果精度符合《城市測量規(guī)范》（CJJ/T8-2011）中的要求。

表1 地形圖精度檢測結(jié)果 單位：米

4 結(jié)語

文章提出基于傾斜攝影測量和機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行大比例尺測圖的方法，解決了傳統(tǒng)全野外測圖效率慢、耗人力等問題。經(jīng)過實(shí)際作業(yè)估算，1平方千米范圍，按照全野外測圖的效率，工作量約120人*天。但是采用文章所提的方式，工作量約85人*天，效率提升30%。通過實(shí)例驗(yàn)證，成果精度滿足規(guī)范要求，為大比例尺測圖提供了新的思路。目前業(yè)內(nèi)傾斜三維建模技術(shù)、機(jī)載LiDAR技術(shù)均已成熟，進(jìn)行大比例尺地形圖采集制作的前提條件是充分的。這種作業(yè)方式效率高，可推廣使用，能極大地釋放人力，提高生產(chǎn)力。