黃 威

（廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東廣州 510500）

0 引言

當(dāng)今測(cè)繪地理信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)深度融合，測(cè)繪地理信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段［1］。在傳統(tǒng)的地形圖質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程中，存在資源消耗過(guò)多以及低效率等問(wèn)題。尤其針對(duì)測(cè)繪困難地區(qū)的大比例尺數(shù)字地形圖檢驗(yàn)，傳統(tǒng)以外業(yè)為主、內(nèi)業(yè)為輔的質(zhì)檢方式具有極大的局限性［2］。眾多學(xué)者對(duì)困難地區(qū)的測(cè)繪與地形圖質(zhì)檢優(yōu)化進(jìn)行了深入探討。滿亞洲等使用低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取高寒山地區(qū)的影像數(shù)據(jù)［3］，并構(gòu)建實(shí)景三維模型，試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。李國(guó)鋒使用拓普康天狼星無(wú)人機(jī)規(guī)劃航線［4］，通過(guò)一系列技術(shù)獲取高質(zhì)量的地形圖數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際案例分析無(wú)人機(jī)地形圖測(cè)繪數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。

綜上所述，將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于測(cè)繪的研究取得較好成果，但針對(duì)地形復(fù)雜地區(qū)的測(cè)量技術(shù)較少。因此，研究針對(duì)復(fù)雜地區(qū)引入無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法優(yōu)化原傾斜攝影測(cè)量（Oblique Photogrammetry，OP）方案，構(gòu)建研究區(qū)域的實(shí)景三維模型，并且為大比例尺數(shù)字地形圖檢驗(yàn)工作創(chuàng)建一種新型質(zhì)檢方式。研究以期提升質(zhì)檢工作的效率與質(zhì)量，為地形復(fù)雜地區(qū)的質(zhì)檢模式提供切實(shí)有效的新方法，為測(cè)繪地理信息行業(yè)的新型質(zhì)檢體系建設(shè)與服務(wù)保障能力建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 OP實(shí)景三維模型構(gòu)建

1.1 OP模型與方案的設(shè)計(jì)

OP 是一個(gè)在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，并從垂直和傾斜等多角度采集地面影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列處理后獲取地物準(zhǔn)確、完整的位置信息與紋理數(shù)據(jù)。前期準(zhǔn)備工作是進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量的基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括對(duì)測(cè)量地區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘探，確定測(cè)量區(qū)域的地物地貌情況，以及結(jié)合實(shí)地情況和測(cè)量區(qū)域存在的基礎(chǔ)像控點(diǎn)設(shè)計(jì)傾斜測(cè)量方案。其中，像控點(diǎn)位置的選取與布設(shè)需要滿足以下要求：首先，需要保證其在影像中清晰且有區(qū)分性，便于后續(xù)空三加密過(guò)程像片刺點(diǎn)；其次，盡可能布設(shè)在旁向中心線附近，盡量避開(kāi)樹(shù)木與密集建筑物等不易于測(cè)量的位置；最后，需要滿足地面影像分辨率、攝影區(qū)域地形地貌特點(diǎn)與成圖要求分辨率等因素，區(qū)域網(wǎng)布設(shè)區(qū)域的最佳形狀為矩形，可根據(jù)測(cè)量區(qū)域的實(shí)際情況增加像控點(diǎn)數(shù)量。目前像片控制點(diǎn)常用的布設(shè)方法有單航線布點(diǎn)法與區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，傾斜攝影測(cè)量獲取的影像后續(xù)需使用空三加密平差方法，故選用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法。區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)布設(shè)方案如圖1 所示。

圖1 區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)布設(shè)方案

圖1（a）為常規(guī)區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)方案，滿足保證外圍點(diǎn)的控制范圍的基本需求；圖1（b）是航片旁向重疊度（Lateral Overlap，LO）較低時(shí)區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)方案，通過(guò)在航線旁向加高程點(diǎn)來(lái)保證不規(guī)則測(cè)量區(qū)域的精度；圖1（c）是光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差（Regional Combined Adjustment by Beam Method，RCABM）的基礎(chǔ)區(qū)域布設(shè)策略，在矩形頂點(diǎn)處進(jìn)行雙平高點(diǎn)布設(shè)，同時(shí)整體使用平高點(diǎn)與高程點(diǎn)間隔的布設(shè)方案。在航攝時(shí)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量需設(shè)置航高、像片重疊度與航線參數(shù)，航高的設(shè)置需按照規(guī)范要求與實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。航高h(yuǎn)的計(jì)算如式（1）所示：

式中：F為物鏡的鏡頭焦距；RP為航攝像片要求的分辨率；S為像元尺寸；g為重力加速度。

根據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相應(yīng)規(guī)范的要求，航向重疊度一般在60%~80%，旁向重疊度設(shè)為15%~60% ，且重疊度的判定以區(qū)域內(nèi)高程最大處為準(zhǔn)。針對(duì)困難地區(qū)的無(wú)人機(jī)航攝優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：高原測(cè)繪困難地區(qū)，選擇氣候溫和且干燥的時(shí)間進(jìn)行工作，且機(jī)體應(yīng)更換為高原適用型機(jī)翼，與平原作業(yè)相比，高原作業(yè)還需縮短單架次時(shí)間。研究區(qū)域內(nèi)像控點(diǎn)使用超額布設(shè)，且航飛面積為1.1×104m2，像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量為123 個(gè)，在高差較大或坡度較緩的區(qū)域在坡頂與坡底等地形復(fù)雜區(qū)增加像控點(diǎn)的布設(shè)。此外，根據(jù)研究區(qū)域地形復(fù)雜、怪石分布現(xiàn)狀，航高設(shè)為80～120 m，航向重疊度與旁向重疊度分別為80% 和75% ，航線彎曲度低于5% 。針對(duì)貼近山區(qū)與高度差較大的區(qū)域，研究采用分區(qū)塊多架次航飛，航高根據(jù)區(qū)域情況進(jìn)行設(shè)定，若出現(xiàn)航片分辨率不足、影像缺失等情況，需在原航線進(jìn)行補(bǔ)拍。航攝影像作業(yè)完成后，需要進(jìn)行影像特征提取與匹配。目前特征提取方法適用最廣泛的是尺度不變特征變換（Scale Invariant Feature Transformation，SIFT）算法，其能對(duì)不同視角下的物體或場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)可靠匹配，且提取的特征對(duì)圖像的尺度和旋轉(zhuǎn)具有不變性及較高的魯棒性，此外，還具有較快的計(jì)算速度和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。SIFT 特征提取算法與影像匹配流程如圖2 所示。

圖2 SIFT 特征提取算法與影像匹配流程

空中三角測(cè)量是用攝影測(cè)量解析法確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素，通過(guò)1 張像片組成的一束光線作為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)與平移，使模型間的公共點(diǎn)的光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)。同時(shí)使整個(gè)區(qū)域最佳地納入已知的控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中，以相鄰像片公共交會(huì)點(diǎn)坐標(biāo)相等、控制點(diǎn)的內(nèi)業(yè)坐標(biāo)與已知的外業(yè)坐標(biāo)相等為條件，列出控制點(diǎn)與加密點(diǎn)的誤差方程式，進(jìn)行全區(qū)域的統(tǒng)一平差計(jì)算，最終求解出每張像片的相關(guān)地面坐標(biāo)。OP 數(shù)據(jù)處理較為主流的方法為RCABM，具體操作如下：將航攝相機(jī)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、慣性傳感器（Inertial Measurement Unit，IMU）作為外方位元素的初始值，然后與地面像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合平差。但傾斜攝影影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)量過(guò)大，因此，研究使用密集匹配的方法減少影像空中三角測(cè)量加密后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的冗余。如今性能最為優(yōu)秀的密集匹配算法是基于貼片模型的半全局匹配（PMVS）算法。在數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）構(gòu)建完成后，使用紋理映射將真實(shí)的地物紋理與色彩賦予DSM，最終完成實(shí)景可視立體三維模型的構(gòu)建。

1.2 基于實(shí)景三維模型對(duì)數(shù)字地形圖的質(zhì)檢

由于現(xiàn)今大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢工作不能滿足測(cè)繪地理信息行業(yè)需求，因此，研究針對(duì)測(cè)繪行業(yè)新需求，設(shè)計(jì)新型大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢模式。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢內(nèi)容分為詳查與概查，詳查內(nèi)容包括樣本單位成果的數(shù)學(xué)精度（Mathematical Precision，MP）、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的正確性（Correctness Of Data and Structure，CODS）、地理精度（Geographic Accuracy，GA）、整飾質(zhì)量（Finishing Quality，F(xiàn)Q）與附件質(zhì)量（Accessory Quality，AQ）；概查內(nèi)容包括成圖范圍、區(qū)域的符合性、圖幅分幅與編號(hào)、測(cè)圖控制覆蓋面、密度的符合性和詳查以外圖幅的重要或特別關(guān)注的質(zhì)量要求或指標(biāo)。大比例尺數(shù)字地形圖具體的檢查項(xiàng)及其質(zhì)量子元素（Mass Sub Element，MSE）權(quán)重如表1 所示。

表1 大比例尺數(shù)字地形圖檢查項(xiàng)及其質(zhì)量子元素權(quán)重

成果質(zhì)量錯(cuò)漏類型有A、B、C 與D 四類，對(duì)應(yīng)扣分值為42、12、4 與1 分。MP 檢驗(yàn)的相關(guān)計(jì)算，如式（2）所示：式中：T1為相應(yīng)質(zhì)量子元素分值；T2為各質(zhì)量子元素評(píng)分分值；b、c與d分別為質(zhì)量子元素中相應(yīng)的B、C 與D 類錯(cuò)漏個(gè)數(shù)；t為調(diào)整系數(shù)；Δe為MSE 的中誤差限差（Error Tolerance，ET）與檢測(cè)中誤差的差值；ζe為MSE 的ET。

地理精度檢驗(yàn)首先根據(jù)數(shù)字線劃圖進(jìn)行內(nèi)業(yè)邏輯性判別，然后按照國(guó)家規(guī)范中檢查項(xiàng)內(nèi)容和錯(cuò)漏分類，逐地物和實(shí)景三維模型進(jìn)行對(duì)照判別。數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)的正確性檢驗(yàn)包括：首先按照生產(chǎn)方提供經(jīng)過(guò)審批的項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)的要求，檢查文件命名與大比例尺數(shù)字地形圖文件格式是否合理。然后數(shù)據(jù)產(chǎn)品分層與層名代碼執(zhí)行CASS 默認(rèn)的分層方法與層名代碼。最后檢查地物屬性代碼與標(biāo)識(shí)以及圖幅邊界分割地物屬性接邊。FQ 內(nèi)容包括圖名圖號(hào)、圖廓外整飾質(zhì)量等內(nèi)容；AQ 包括被檢成果作業(yè)單位提交的成果附件和相關(guān)材料。

2 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型在困難地區(qū)地形圖質(zhì)量檢驗(yàn)中的應(yīng)用分析

為驗(yàn)證OP 實(shí)景三維模型在地勢(shì)與地貌的復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行地形圖質(zhì)檢中的應(yīng)用，研究選擇廣東省羅定市船步鎮(zhèn)所在的八排山區(qū)域作為研究區(qū)域。八排山屬于高原地區(qū)，海拔1081 m，季節(jié)性氣候特征顯著，地類為高山地，地形圖成果等高距3 m。研究區(qū)域內(nèi)奇石滿布，怪樹(shù)叢生，云遮霧繞，測(cè)繪十分困難。

研究使用軟件ThingPano 生成測(cè)量區(qū)域的實(shí)景三維模型，結(jié)果如圖3 所示。此外研究選用大疆無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍作業(yè)，其能極大減少相機(jī)拍攝與手工選擇連接點(diǎn)的流程。圖3（a）與圖3（b）分別為數(shù)字正射影像圖與實(shí)景三維模型的局部圖。

圖3 實(shí)景三維模型成果

為了檢驗(yàn)數(shù)字地形圖質(zhì)量中的MP，研究按照1∶500 比例尺地形圖精度生成實(shí)景三維模型，待檢成果為八排山1∶1000 大比例尺數(shù)字地形圖，其中，實(shí)景三維模型的制作范圍要大于八排山的待檢成果。針對(duì)研究區(qū)數(shù)字正射影像成果，傾斜攝影測(cè)量三維模型隨機(jī)采集20 個(gè)平面檢測(cè)點(diǎn)，傳統(tǒng)質(zhì)檢方式采用航測(cè)外業(yè)調(diào)繪方法采集數(shù)據(jù)，共取同名的20個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)。新型質(zhì)檢方式與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的平面點(diǎn)誤差分布如圖4 所示，在點(diǎn)位較差為（0，0.1］，（0.1，0.2］、（0.2，0.3］、（0.3，0.4］與大于0.4 的5 種范圍中，新型質(zhì)檢方式的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量分別為3、9、6、0、2；傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量分別為3、14、2、1、0。傳統(tǒng)質(zhì)檢方式平面檢查點(diǎn)的誤差為0.35 m，人工調(diào)繪平面點(diǎn)誤差為0.27 m，中誤差限差為0.67 m。與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式平面檢查點(diǎn)相比，新型質(zhì)檢方式平面檢查點(diǎn)的誤差較其低0.13 m，人工調(diào)繪平面點(diǎn)誤差較其低0.09 m，中誤差限差較其低0.09 m。研究結(jié)果表明：新型質(zhì)檢方式擁有更高的MP，能充分滿足相關(guān)規(guī)范。

圖4 新型質(zhì)檢方式與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式平面點(diǎn)誤差分布

高程精度檢測(cè)中新型質(zhì)檢方式與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式各選取30 個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn)，其中，傳統(tǒng)質(zhì)檢方式仍采取航測(cè)外業(yè)調(diào)繪方法采集檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可得不同質(zhì)檢方式高程檢測(cè)點(diǎn)高差分布結(jié)果，如圖5 所示。可見(jiàn)，新型質(zhì)檢方式檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差在0.14 m，中誤差限差為0.17 m。傳統(tǒng)質(zhì)檢方式檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為0.39 m，中誤差限差為0.73 m。對(duì)于地理精度的檢查，在傳統(tǒng)方法的外業(yè)實(shí)地核查過(guò)程中，無(wú)法從地形圖中對(duì)地勢(shì)險(xiǎn)要區(qū)域進(jìn)行踏勘，作業(yè)員4人分2 組，共耗時(shí)4 d。而新型質(zhì)檢方式僅需1 個(gè)作業(yè)員，總耗時(shí)1 d。傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的結(jié)果與新型質(zhì)檢方式相比，C 類問(wèn)題少發(fā)現(xiàn)1 個(gè)，D 類問(wèn)題少發(fā)現(xiàn)若干。

傳統(tǒng)質(zhì)檢方式與新型質(zhì)檢方式的質(zhì)量評(píng)定結(jié)果如表2 所示，新型質(zhì)檢方式的數(shù)學(xué)精度與數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的正確性質(zhì)量評(píng)分大于傳統(tǒng)質(zhì)檢方式，二者質(zhì)量等級(jí)均為優(yōu)。

表2 傳統(tǒng)質(zhì)檢方式與新型質(zhì)檢方式質(zhì)量評(píng)定結(jié)果單位：分

3 結(jié)語(yǔ)

在困難地區(qū)的大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)量精度檢驗(yàn)中，傳統(tǒng)方法存在成本消耗過(guò)大、效率低、檢測(cè)范圍不全等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，研究提出無(wú)人機(jī)OP 方法，并進(jìn)一步改進(jìn)常規(guī)OP 方案，使其更加符合地形困難地區(qū)的需求，最終建立八排山地區(qū)的實(shí)景三維模型，為大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢工作提供新方式。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在平面檢測(cè)與高程檢測(cè)中，新型質(zhì)檢方式在絕大部分指標(biāo)結(jié)果中的效果優(yōu)于傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的效果。在質(zhì)量評(píng)分中，新型質(zhì)檢方式的評(píng)分為89.8 分，較傳統(tǒng)的質(zhì)檢方式高1.5 分。綜上所述，研究提出基于傾斜攝影測(cè)量的實(shí)景三維模型與新型質(zhì)檢方案具有更高的精度與適用性。但研究仍存在不足，該方法僅為靜態(tài)地獲取區(qū)域地理狀況，但地理空間信息是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，故需在未來(lái)研究中尋找動(dòng)態(tài)化使用層面的質(zhì)檢方法。