谷龍閃，王立妮，王鵬澤

（河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南鄭州 450012）

0 引言

繪制大比例尺地形圖一直以來都是地理信息科學(xué)和工程測繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。地形圖為城市規(guī)劃、工程建設(shè)、資源管理和環(huán)境保護(hù)等各種應(yīng)用提供了必不可少的地理信息基礎(chǔ)［1］。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，繪制大比例尺地形圖面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。傳統(tǒng)的測量和制圖方法主要依賴于地面測量、航空攝影測量和手工繪圖，需要大量的時(shí)間、人力和資金。傳統(tǒng)方法在處理復(fù)雜地形、城市環(huán)境和大面積區(qū)域時(shí)往往效率低下，難以滿足高精度的要求。傾斜攝影測量技術(shù)以其快速、高效的數(shù)據(jù)獲取方式和豐富的信息內(nèi)容，成為地形圖制圖的重要工具。余加勇等人針對傳統(tǒng)人工邊坡調(diào)查方法效率低、風(fēng)險(xiǎn)高、難度大的問題［2］，提出了基于無人機(jī)傾斜攝影的公路邊坡三維重建和災(zāi)害識(shí)別方法，從而實(shí)現(xiàn)了公路邊坡災(zāi)害場景的自動(dòng)識(shí)別。Shuai Liu 等人針對傳統(tǒng)的野外地質(zhì)露頭數(shù)據(jù)采集方法存在的局限性［3］，引入了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)及快速三維建模技術(shù)，從而更真實(shí)地記錄地質(zhì)露頭的信息，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。因此，研究借助傾斜攝影測量技術(shù)來克服傳統(tǒng)繪制大比例尺地形圖的困難和限制，構(gòu)建基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的地形圖測繪模式，選用不同數(shù)量的像控點(diǎn)布置方案處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，并對成果精度進(jìn)行了對比分析。研究旨在為大比例尺地形測量生產(chǎn)提供更高效、更準(zhǔn)確和更可靠的方法，并為地理信息科學(xué)和工程測繪領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)重要研究成果。

1 基于傾斜攝影測量技術(shù)的地形圖繪制模型建立

1.1 基于無人機(jī)的傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是一種新興的航空攝影技術(shù)，主要是利用無人機(jī)搭載傾斜攝影相機(jī)，以多角度和多方向拍攝地面圖像，生成具有多個(gè)視角的影像數(shù)據(jù)［4］。在執(zhí)行航攝任務(wù)時(shí)，無人機(jī)根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的飛行計(jì)劃，飛至目標(biāo)區(qū)域，分別從前、后、左、右和垂直5 個(gè)角度同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為確保數(shù)據(jù)采集的完整性和準(zhǔn)確性，需要合理選擇和設(shè)置航攝參數(shù)，包括地面采樣間隔（Ground Sampling Distance，GSD）、航高、影像重疊度、攝影基線和航線間隔。這些參數(shù)的選擇對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和地圖生成至關(guān)重要。

1）GSD，指在地面上一單位距離對應(yīng)于圖像上的像素?cái)?shù)量。研究主要目的是繪制1∶1000 比例尺的地形圖，因此，選擇GSD 約為0.10 m 以確保地形圖的精度滿足特定的要求。

2）航高，指無人機(jī)相對于地面的垂直高度。航高的選擇應(yīng)考慮地圖精度、數(shù)據(jù)采集速度和地形復(fù)雜性。

3）影像重疊度，包括航向重疊度和旁向重疊度。適度的影像重疊度對于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和地圖制作非常重要。航向重疊度通常在60%到80%之間，旁向重疊度通常在20%到40%之間。

4）攝影基線，指在傾斜攝影中航攝儀連續(xù)兩次曝光瞬時(shí)兩物鏡前節(jié)點(diǎn)空間位置的連線。選擇較大的攝影基線可以提供更多視差信息，有利于提高三維建模精度，但需要考慮地形高程變化和任務(wù)需求。

5）航線間隔，指相鄰航線之間的水平距離。較小的航線間隔提供更多的數(shù)據(jù)重疊，有助于建立更精確的地形模型，但需要大量的飛行時(shí)間。較大的航線間隔，易造成數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，適用于地勢相對平坦的地理區(qū)域。

針對上述5 個(gè)航攝參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)均做出合理設(shè)計(jì)以滿足要求。

1.2 多旋翼與固定翼無人機(jī)輔助的傾斜攝影地形圖繪制模型

在攝影測量技術(shù)中，有2 種常見的應(yīng)用方案，即多旋翼無人機(jī)傾斜攝影方案和固定翼無人機(jī)傾斜攝影方案［5］。研究對比了這2 種方案之間的區(qū)別，如表1 所示。

表1 多旋翼無人機(jī)傾斜攝影和固定翼無人機(jī)傾斜攝影的主要區(qū)別

由表1 可知：多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)技術(shù)原理、功能以及適用領(lǐng)域均存在較大的區(qū)別。多旋翼無人機(jī)以多視角傾斜攝影的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，遮擋較小，能多方位獲取數(shù)據(jù)，較適合地形復(fù)雜、分辨率要求高、工作周期短的精細(xì)化工程；針對覆蓋范圍廣、工作周期長、地形地勢變化簡單的工程，固定翼無人機(jī)優(yōu)勢更加明顯，固定翼無人機(jī)飛行速度快、續(xù)航時(shí)間長的特點(diǎn)，可以高效、快速地完成范圍廣、精度要求相對較低的工程任務(wù)。兩者在不同應(yīng)用領(lǐng)域存在各自的優(yōu)勢，因此，研究結(jié)合多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)，共同輔助傾斜攝影測量技術(shù)并應(yīng)用于工程繪制大比例尺地形圖中，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，滿足不同任務(wù)需求。研究提出的多旋翼與固定翼無人機(jī)輔助的傾斜攝影地形圖繪制模型的流程如圖1 所示。

圖1 多旋翼與固定翼無人機(jī)輔助的傾斜攝影地形圖繪制模型流程圖

利用傾斜攝影測量技術(shù)可以快速獲取地物地貌實(shí)景信息，并通過影像畸變修正、去噪、校正、圖像配準(zhǔn)、影像勻光勻色等影像處理工作后，進(jìn)行原始影像POS 數(shù)據(jù)處理及空三解算，經(jīng)多視影像匹配技術(shù)以及紋理映射處理可生成實(shí)景三維模型。初步生成的三維模型會(huì)出現(xiàn)一定程度的水面鏤空、結(jié)構(gòu)扭曲等問題，可通過人工結(jié)合實(shí)際影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維模型精細(xì)化修復(fù)。通過人工精細(xì)化修復(fù)的三維模型即可投入地形圖繪制使用。

研究著重關(guān)注數(shù)據(jù)預(yù)處理后構(gòu)建的三維模型的幾何精度是否滿足相應(yīng)比例尺的地形圖精度要求，使用平面精度和高程精度2 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測。平面精度通過計(jì)算多個(gè)地物特征點(diǎn)處坐標(biāo)和模型對應(yīng)位置的坐標(biāo)差值來計(jì)算其中誤差。高程精度檢測涉及高程檢查點(diǎn)的收集，將它們映射到三維模型上，測量模型上對應(yīng)位置的高程值，然后，計(jì)算實(shí)際高程值與模型估算高程值之間的差異，以得出高程精度的中誤差。如果檢查點(diǎn)數(shù)量小于30 個(gè)，可利用誤差值的平均值來代替中誤差。

對于高精度檢測，即檢查點(diǎn)精度等級高于圖面測量精度時(shí)，中誤差的計(jì)算表達(dá)式如式（1）所示：

而對于同精度檢測，即檢查點(diǎn)精度等級等于圖面測量精度，表達(dá)式如式（2）所示：

式（1）與式（2）中：E、s與Δi分別為中誤差、檢查點(diǎn)總數(shù)與較差。

2 傾斜攝影測量技術(shù)在地形圖繪制中的實(shí)驗(yàn)分析

為確認(rèn)傾斜攝影測量技術(shù)在地形圖制作中的可行性和準(zhǔn)確性，尤其要驗(yàn)證提出的地形圖繪制模型的有效性，研究共設(shè)置了2 個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，通過在不同地理環(huán)境和地形條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以更全面地對傾斜攝影測量技術(shù)與模型進(jìn)行評估。

首先，實(shí)驗(yàn)1 的實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于郊區(qū)，地形平坦，覆蓋面積長約1.2 km，寬約1.0 km，最高海拔為490 m，最低海拔為440 m，最大高差為50 m。實(shí)驗(yàn)的主要目的是繪制1∶1000 比例尺的地形圖。在像控點(diǎn)的設(shè)置與測量方面，按照要求，總共布設(shè)了9 個(gè)像控點(diǎn)，布設(shè)位置分別為4 個(gè)角點(diǎn)、4 條邊的中點(diǎn)以及中心點(diǎn)。為保障像控點(diǎn)坐標(biāo)的精度，利用GNSS-RTK對像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。此外，還設(shè)置了4 個(gè)平面檢查點(diǎn)和67 個(gè)高程檢查點(diǎn)。在實(shí)際飛行操作中，無人機(jī)起飛點(diǎn)的高程為460 m，相對航高為230 m，航向重疊度和旁向重疊度分別為70% 和30%。攝影基線長度為60 m，航線間距為145 m，最低分辨率為0.10 m。在數(shù)據(jù)處理階段，以像控點(diǎn)數(shù)量為控制量，設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)處理方案，如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)1 不同計(jì)算方案

第1 種方案采用了9 個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)之間的平均距離維持在500 m 至600 m 之間。第2 種方案則采用數(shù)量較少的像控點(diǎn)，僅利用了實(shí)驗(yàn)區(qū)域4 個(gè)角以及中心位置的5 個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的平均間距增至約780 m。采用方案1 生成的實(shí)景三維模型細(xì)節(jié)如圖3 所示。

通過計(jì)算地物點(diǎn)平面位置中誤差和高程注記點(diǎn)高程中誤差來檢核2 種方案。前者指地形圖上標(biāo)注的地物點(diǎn)的實(shí)際測量位置與地形圖上應(yīng)該出現(xiàn)的位置之間的誤差，通常用于評估地形圖的平面幾何精度。后者則是指地形圖上標(biāo)注的高程注記點(diǎn)的實(shí)際測量高程與地形圖上應(yīng)該具有的高程之間的誤差，通常用于評估地形圖的垂直幾何精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，2 種方案產(chǎn)生的誤差值有明顯區(qū)別，如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)2 不同計(jì)算方案中誤差對比

由圖4 可知：方案1 的平面位置中誤差為0.05 m，顯著低于規(guī)定的0.6 m 的允許值，表現(xiàn)出較高的精度水平。方案2 的平面位置中誤差為0.14 m，在允許范圍內(nèi)，但高于方案1 的平面位置中誤差，精度相對較低。對于0.5 m 等高距，方案1 的高程中誤差為0.13 m，低于規(guī)定的0.21 m 允許值，方案2 的高程中誤差為0.15 m，同樣低于規(guī)定值。對于1.0 m等高距，方案1 的高程中誤差為0.14 m，明顯低于0.3 m 的允許值，方案2 的高程中誤差為0.26 m，也低于規(guī)定值。綜上可知，方案1 整體精度優(yōu)于方案2，說明增加像控點(diǎn)的密度可在一定程度上提高了地形圖精度。

實(shí)驗(yàn)2 的實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于黃土高原溝壑地貌地區(qū)，地勢復(fù)雜，地形特征呈現(xiàn)出較大的起伏，覆蓋面積約5.6 km2，形狀不規(guī)則，海拔最大跨度達(dá)270 m，從最低海拔980 m 至最高海拔1250 m。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是繪制1∶1000 比例尺的地形圖。在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)共布設(shè)了12 個(gè)像控點(diǎn)，設(shè)計(jì)航向和旁向距離為400 m，采用GNSS-RTK 技術(shù)獲取平面坐標(biāo)和高程信息。為提高測量精度，額外增加布設(shè)了8 個(gè)平面檢查點(diǎn)和43個(gè)高程檢查點(diǎn)。外業(yè)航飛起飛點(diǎn)海拔1100 m，相對航高為300 m，采用了75%的航向重疊度和35%的旁向重疊度，攝影基線長度為60 m，航線間距為140 m，最低分辨率為0.08 m。實(shí)驗(yàn)2 采用了4 種不同的計(jì)算方案進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)2 不同計(jì)算方案像控點(diǎn)放置示意圖

由圖5 可知：方案1 采用所有可用的像控點(diǎn)，方案2 剔除了實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)部的2 個(gè)像控點(diǎn)，方案3則剔除了中點(diǎn)邊界的4 個(gè)像控點(diǎn)，而方案4 僅使用實(shí)驗(yàn)區(qū)域邊界拐角處的6 個(gè)像控點(diǎn)，以評估在像控點(diǎn)數(shù)量相對較少的情況下，傾斜攝影測量技術(shù)以及所提出的模型在性能和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面的表現(xiàn)。4種不同方案下中誤差結(jié)果以及與規(guī)范允許值對比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)2 采用的4 種不同計(jì)算方案中誤差對比

由圖6 可知：使用較多像控點(diǎn)的方案在測試中表現(xiàn)出色，其精度明顯優(yōu)于其他方案的精度。隨著像控點(diǎn)密度的減少，各測試方案的中誤差逐漸增加，這一趨勢符合預(yù)期。具體來看，針對地物點(diǎn)的平面位置中誤差，規(guī)范要求的允許值為0.8 m。第1方案中誤差僅為0.09 m，明顯低于規(guī)范的要求。第2、第3 和第4 方案的中誤差分別為0.25 m、0.11 m和0.16 m，盡管略微高于第1 方案的，但仍然在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。再者，對于高程注記點(diǎn)的高程中誤差，規(guī)范要求的允許值為0.6 m。在第1 方案中，高程中誤差僅為0.06 m，表現(xiàn)出色。第2 方案為0.12 m，第3 方案為0.21 m，第4 方案為0.41 m。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)大比例尺地形圖繪制中存在的不足，研究提出了一種利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行工程繪制大比例尺地形圖的方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。在實(shí)驗(yàn)1 中，2 個(gè)設(shè)計(jì)的計(jì)算方案中的誤差均滿足規(guī)范要求，如平面位置中誤差分別為0.05 m 和0.14 m，遠(yuǎn)低于0.6 m 的允許值。在實(shí)驗(yàn)2中，設(shè)計(jì)了4 個(gè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算方案，方案均滿足最大允許值要求，其中使用較多像控點(diǎn)的方案中誤差最小。傾斜攝影測量技術(shù)為航測和地理信息領(lǐng)域提供了實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為相關(guān)研究提供了新的思路和數(shù)據(jù)支持。本研究僅涵蓋了特定地理環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，如平坦地區(qū)和坡地地區(qū)。對于其他地理環(huán)境，如城市、森林或沼澤地等，傾斜攝影測量技術(shù)的適用性仍需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。