閆令軍，申小兵，季曉菲

（1.三和數(shù)碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000；2.甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741020）

采用航空攝影測量技術生產(chǎn)的測繪成果主要包括4D 產(chǎn)品，其中數(shù)字線劃圖（DLG）是非常重要的一項測繪成果，其也被稱為地形圖，被廣泛用于規(guī)劃項目中。地形圖測繪，目前主流的作業(yè)方式有全野外作業(yè)和內(nèi)外業(yè)相結(jié)合作業(yè)2 種方式。全野外作業(yè)，就是利用GPS-RTK 設備，在現(xiàn)場進行測繪，主要采集特征點，并在采集的過程中，繪制對應的草圖，以便后期內(nèi)業(yè)進行數(shù)字化成圖。這種作業(yè)方式，勞動強度大，作業(yè)效率低，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期長，而且野外作業(yè)風險高，其精度的高低主要和采集點的數(shù)量相關。內(nèi)外業(yè)相結(jié)合作業(yè)其實是指基于航空攝影測量的作業(yè)方式，外業(yè)獲取任務區(qū)影像數(shù)據(jù)和少量像控點，內(nèi)業(yè)采用專業(yè)的攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件，對獲取的影像數(shù)據(jù)進行解算，得到少量的加密點和精確的內(nèi)外方位元素，然后基于虛擬立體像對地形圖進行采集，這種方式對作業(yè)人員要求高，現(xiàn)在逐漸被傾斜攝影技術所取代。傾斜攝影是在獲取多視影像的基礎上，采用專業(yè)數(shù)據(jù)解算軟件生產(chǎn)三維模型，并基于三維模型進行地形圖的測繪[1-3]。由于地形圖精度和航攝影像分辨率有關，為了提升地形圖的精度，本次將仿地飛行技術用于傾斜攝影航攝中，并對本文方案的可行性進行了驗證。通過實際項目可知，采用本文方案生產(chǎn)的山區(qū)地區(qū)地形圖，其精度可以滿足1∶500 精度要求，可以給山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖的生產(chǎn)帶來參考。

1 無人機傾斜攝影技術

這種技術是指在攝影測量時，無人機上搭載了多臺數(shù)碼相機，分別從垂直角度和側(cè)視角度對地面進行拍攝，并獲取多角度、全方位、信息豐富的影像數(shù)據(jù)[4-6]。目前無人機上搭載的傾斜設備主要有2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭和9 鏡頭，其中最常見的為5 鏡頭，其由1 個下視相機和4 個側(cè)視相機組合拼接而成。在航攝時，飛控控制5 個相機同時曝光拍照，并將下視相機的位置和姿態(tài)記錄下來。5 鏡頭相機在空中曝光時，拍攝照片的示意圖如圖1 所示。

圖1 傾斜5 鏡頭航攝示意圖

2 無人機仿地飛行技術

仿地飛行是指無人機在飛行的過程中，其高度始終與被攝物體保持不變[7-9]。其主要參照的數(shù)據(jù)是數(shù)字表面模型（DSM）。對于航空攝影測量來說，相對航高、相機焦距、像元大小和影像地面分辨率四者之間存在式（1）的關系。

式中：H 為相對航高，f 為相機焦距，a 為像元大小，GSD為影像地面分辨率。由式（1）可知，對于同一款相機，其像元大小是固定的，在航攝時，相機焦距都是固定的，因此變量只有H 和GSD。要想獲得的影像地面分辨率不變，則必須保持H 不變。對于平坦地區(qū)而言，飛機距離地面的高度可以看作一個常數(shù)，因此獲得的影像分辨率是相同的，但是對于地形高低起伏變化的區(qū)域，要想獲得的影像分辨率一致，則必須保證飛機距離地面的高度是不變的，因此無人機在飛行時，其必須隨著地形的變化而改變其絕對航高。圖2 為仿地飛行示意圖。

圖2 仿地飛行示意圖

3 作業(yè)流程

將傾斜攝影技術和仿地飛行技術結(jié)合起來用于山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖的測繪。其主要作業(yè)流程包括測區(qū)勘探與已有資料收集、像控點布設與測量、航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)航攝、空中三角測量解算、實景三維模型生產(chǎn)和地形圖測繪，具體的作業(yè)流程如圖3 所示。

圖3 作業(yè)流程示意圖

4 案例分析

本項目位于甘肅隴南某地區(qū)，要求生產(chǎn)1∶500 地形圖。通過對測區(qū)勘察可知，任務區(qū)內(nèi)高差約600 m，采用傳統(tǒng)固定航高飛行方式，搭配焦距為35 mm 的相機，確保在航攝安全距離范圍內(nèi)，其在低處區(qū)域獲取的影像分辨率無法滿足項目需求。收集到的數(shù)據(jù)有0.2 m分辨率的影像和現(xiàn)勢性強的DSM 成果數(shù)據(jù)。為了采用航空攝影方式生產(chǎn)得到高精度的數(shù)字線劃圖，本次采用仿地飛行技術和傾斜攝影技術相結(jié)合的作業(yè)方式，對任務區(qū)內(nèi)的數(shù)字線劃圖進行生產(chǎn)。

4.1 像控點布設與測量

首先將任務區(qū)范圍線導入LSV 軟件中，選用LSV軟件中的距離量測工具，按照500 m 的間隔均勻布設點位，并對點位進行統(tǒng)一編號。像控點布設完成后，將布設的像控點點位和收集的0.2 m 影像套合，制作成路線圖提供給外業(yè)像控點測量人員，通過路線圖對作業(yè)路線進行規(guī)劃，可以提高作業(yè)效率，避免像控點漏測情況發(fā)生。外業(yè)人員根據(jù)路線圖找到點位，再結(jié)合實際地形，選擇合適的區(qū)域進行點位噴涂與坐標值的測量。在像控點點位選擇時，要求點位噴涂在不易毀壞的地方，且四周較空曠，無遮擋，點位與周邊地物反差大。點位噴涂完成后，利用GPS-RTK 進行點位坐標的采集，每個點采集3 次，取3 次的平均值為最終成果，在采集時，從不同視角對點位進行拍照，以供內(nèi)業(yè)進行點位判讀。圖4 為實地噴涂的像控點點位。在采集時，采集隨機分布較均勻的35 個平高特征點，用來對后期的地形圖成果精度進行檢測。

圖4 像控點噴涂與測量

4.2 航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)采集

本次航線規(guī)劃選用WapPointMaster 軟件，將任務區(qū)kml 格式的范圍線和tif 格式的DSM 數(shù)據(jù)導入精細仿地航線設計對話框中，選用下視焦距為35 mm，側(cè)視焦距為50 mm 的相機，設置地面影像分辨率為50 cm，坡向角度為30°，起飛點高程為1 550 m，旁向及航向重疊度均為80%，得到仿地飛行相對航高為388.72 m。具體設置界面如圖5 所示。

圖5 精細仿地航線設計

將規(guī)劃好的航線成果上傳飛控，外業(yè)人員對任務區(qū)進行航空攝影作業(yè)。由于任務區(qū)落差較大，選擇上午10 點到下午2 點的這段時間進行航攝，此時太陽高度角較高，地面上形成的遮擋較少，產(chǎn)生的陰影區(qū)域就少，而且這段時間光照充足，獲取的影像成果亮度適中，對比度明顯，信息豐富，成果質(zhì)量高。

4.3 數(shù)據(jù)解算與模型生產(chǎn)

在對目前主流的幾款建模軟件進行對比分析后[10]，最終選用Context Capture Center 軟件進行本次數(shù)據(jù)的解算。首先新建工程，將航攝得到的影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)導入到軟件中，再手動錄入相機焦距和傳感器尺寸，設置工程路徑和引擎路徑。快速對影像進行檢查，確保輸入的影像無損壞。提交空三解算任務，開啟引擎，完成數(shù)據(jù)的解算。采用人機交互方式查看解算成果，未出現(xiàn)分層、彎曲等問題，成果可用。將像控點導入到軟件中，完成像控點的轉(zhuǎn)刺與平差。然后在此基礎上，設置切塊方式和瓦片大小，選擇模型輸出格式為OSGB，提交重建任務，生產(chǎn)實景三維模型成果。

4.4 地形圖測繪

本次地形圖生產(chǎn)使用EPS 軟件。首先將OSGB 格式的三維模型和對應的元數(shù)據(jù)xml 文件加載到軟件中，并快速得到EPS 軟件能夠識別的DSM 數(shù)據(jù)。對于模型結(jié)構完整、無拉花變形的區(qū)域，直接在實景三維模型上進行地形圖測繪；對于模型變形嚴重，精度無法保證的區(qū)域，則將該部分對應的虛擬立體像對加載進來，在立體環(huán)境下，對地形圖進行采集。實景三維模型上的坐標都是真實坐標，可以直接通過模型獲得房屋等的屬性信息，如房屋類型、層數(shù)、高度等，并且填在數(shù)據(jù)庫中。充分發(fā)揮實景三維模型的優(yōu)勢，將實景三維模型測圖和虛擬立體像對測圖相結(jié)合，可以減少外業(yè)調(diào)繪、補測的工作量，提升作業(yè)效率。EPS 軟件自帶數(shù)據(jù)庫，并且地形圖的生產(chǎn)都是在數(shù)據(jù)庫里完成，按照入庫要求，對地形圖進行拓撲檢查等，最終得到高質(zhì)量的地形圖成果。

5 精度分析與評定

利用外業(yè)采集的35 個平高檢查點，對本次生產(chǎn)的地形圖精度進行檢測，并將平面較差和高程較差制作成散點圖，如圖6 所示。

圖6 檢測點精度檢測散點圖

按照現(xiàn)有大比例尺規(guī)范可知，1∶500 山區(qū)地區(qū)地形圖，其平面位置中誤差為0.4 m，高程中誤差為0.35 m，平面和高程最大較差不超過2 倍中誤差。通過圖6 可知，35 個檢測點中，其平面較差最大的未超過0.6 m，高程較差最大的也未超過0.6 m。采用高精度中誤差計算公式

式中：M 為中誤差，n 為檢測點個數(shù)，Δx 和Δy 為在X方向和Y 方向上的較差，Σ 為累計求和符號。采用式（2）對本次生產(chǎn)的地形圖精度進行計算，得到其平面位置中誤差為±0.357 m，高程位置中誤差為±34.4 m，成果精度滿足1∶500 山區(qū)地區(qū)地形圖精度要求。

6 結(jié)束語

本文介紹了傾斜攝影技術和仿地飛行技術，并以實際生產(chǎn)項目為例，將2 種技術用于山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖測繪中。利用外業(yè)采集的高精度檢查點，對本文生產(chǎn)的地形圖成果精度進行了驗證。結(jié)果表明，采用本文方法生產(chǎn)的地形圖，其精度均勻可靠，并且作業(yè)效率高，作業(yè)成本低，具有一定的推廣應用價值。