基于DPC與TDOM繪制大比例尺地形圖可行性研究

柳躍東，溫象東，董景利

(山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、網(wǎng)路系統(tǒng)技術(shù)、航攝平臺(tái)技術(shù)的快速發(fā)展，航空攝影測(cè)量已經(jīng)進(jìn)入智能化、信息化時(shí)代，其產(chǎn)品種類也從傳統(tǒng)的3D(DLG，DOM，DEM)產(chǎn)品擴(kuò)展為3D+TDOM(True Digital Orthophoto Map)，DPC(Dense Point Clouds)；數(shù)據(jù)處理更自動(dòng)、更智能，產(chǎn)品質(zhì)量更可靠，不僅提高了地理信息更新速度，也減少了地理信息更新的成本。

航空攝影測(cè)量從模擬、解析到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，由人工測(cè)圖發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助測(cè)圖，攝影測(cè)量獲得了前所未有的發(fā)展與進(jìn)步。但是，DLG的繪制方法本質(zhì)變化不大，仍然通過空中三角測(cè)量、建立立體模型、立體測(cè)圖來實(shí)現(xiàn)DLG的繪制[1]。

眾所周知，DLG是GIS的重要組成部分，航空攝影測(cè)量為其主要生產(chǎn)手段，因此，更多地理信息專家與學(xué)者密切關(guān)注航空攝影測(cè)量繪制DLG技術(shù)。由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是多核多CPU的發(fā)展，推動(dòng)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理能力的提高，空中三角測(cè)量、點(diǎn)云與正射影像生產(chǎn)自動(dòng)化程度得到極大提高，提出了針對(duì)三維立體模型與DLG數(shù)據(jù)采集的分離問題，提出基于密集點(diǎn)云與正射影像生產(chǎn)DLG的可能性問題，破除從左到右的立體測(cè)圖的觀念；打破三維立體模型重建與攝影測(cè)量測(cè)圖分割；打破過去單臺(tái)計(jì)算機(jī)、單核、單模型測(cè)圖再接邊的效率低下、工序繁多的模式[2-3]。

1 低空無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

低空無人機(jī)系統(tǒng)由低空航攝平臺(tái)、遙感傳感器系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、地面站監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成[4-5]。該系統(tǒng)按照項(xiàng)目要求進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，自動(dòng)航空攝影，遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密，生成DEM，DOM和DCP。采用高頻率、高精度GPS實(shí)時(shí)差分技術(shù)，在航控?cái)z影測(cè)量中不需要外業(yè)布設(shè)像片控制點(diǎn)[6]。

2 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)選取

受濟(jì)南市規(guī)劃局的委托，山東省地質(zhì)測(cè)繪院對(duì)濟(jì)南市臨空經(jīng)濟(jì)示范區(qū)進(jìn)行1∶500比例尺地形圖測(cè)繪工作。由于項(xiàng)目范圍內(nèi)植被覆蓋率較高(約為65%)，實(shí)施時(shí)正值炎熱夏季，且項(xiàng)目位置在濟(jì)南遙墻國(guó)際機(jī)場(chǎng)周邊，因此實(shí)施難度較大。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，決定采用低空無人機(jī)攝影測(cè)量，密集點(diǎn)云、正射影像與外業(yè)檢核相結(jié)合的方法進(jìn)行地形圖測(cè)繪。

2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)情況

2.2.1 自然地理概況

試驗(yàn)區(qū)位于濟(jì)南市歷城區(qū)，濟(jì)南遙墻國(guó)際機(jī)場(chǎng)周邊，屬平原地區(qū)，地勢(shì)平坦，最高海拔30m，最低海拔21m。交通較為便利，內(nèi)有機(jī)場(chǎng)路、S321等主要交通干道，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)村村通公路。實(shí)驗(yàn)區(qū)位于北暖溫帶，具有鮮明的半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候特點(diǎn)，四季分明，降水多集中在6—8月份，年降水量583.3mm。實(shí)驗(yàn)期正值高溫多雨時(shí)節(jié)，天氣因素對(duì)無人機(jī)航攝及安全有一定的影響。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)除村莊建筑區(qū)外，主要是耕地、林地、園地。

2.2.2 試驗(yàn)區(qū)范圍

試驗(yàn)區(qū)東西約8.5km，南北約5.5km，西至黃河，北至羅家村、東安村，東至徐家村，南至宋家村、北柴村,面積約40km2(圖1)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)范圍及航攝分區(qū)

2.3 低空攝影

2.3.1 航攝分區(qū)及航線設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)區(qū)形狀不夠規(guī)則，根據(jù)無人機(jī)每架次航攝時(shí)間及有效航攝面積，劃分了39個(gè)航攝分區(qū)(圖1)。航向重疊度為80%，旁向重疊度70%，地面分辨率為3cm[7]。

2.3.2 航空攝影情況

航空攝影自2016年6月15開始至2016年7月10日結(jié)束。航攝相片18850張，相幅大小為4896×3264pixel，相機(jī)參數(shù)f=18cm，像素大小為4.6μm，影像清晰、反差適中、色調(diào)柔和、色彩平衡[8]。

2.4 影像處理及平面精度

將無人機(jī)所攝影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件(Agisoft photoscan professional)，設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)、投影方法、數(shù)據(jù)處理精度，選擇生成產(chǎn)品種類、格式，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理即可。影像處理分架次處理，產(chǎn)品種類主要有密集點(diǎn)云、TDOM，DEM，DSM。利用易拼圖(EPT)對(duì)TDOM進(jìn)行鑲嵌、分幅[9]。TDOM位置精度檢查采用GPS-RTK(網(wǎng)絡(luò)模式)，采集明顯地物點(diǎn)、特征點(diǎn)共242個(gè)，數(shù)據(jù)采集時(shí)RTK為穩(wěn)定的固定解狀態(tài)[10]。將檢核數(shù)據(jù)與TDOM中對(duì)應(yīng)地物點(diǎn)平面位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較，計(jì)算出TDOM平面位置中誤差為0.11m，滿足設(shè)計(jì)要求(表1)。

表1 TDOM平面位置誤差統(tǒng)計(jì)

2.5 地形圖測(cè)繪

2.5.1 測(cè)繪方法

地形圖繪制利用TDOM，在EPS繪圖軟件中進(jìn)行矢量化，其內(nèi)容主要有道路及道路附屬設(shè)施、河流及橋梁、建筑物及構(gòu)筑物、溝坎、地類范圍界、線桿、路燈等能夠辨認(rèn)的各類地物。高程數(shù)據(jù)采集主要從點(diǎn)云中篩選出正確的高程數(shù)據(jù)，展繪到線劃圖中。由于試驗(yàn)區(qū)植被的覆蓋度較高，嚴(yán)重影響到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，因此在植被覆蓋區(qū)域采用全站儀實(shí)測(cè)部分高程，作為篩選正確高程的參考。

2.5.2 地形圖精度

地形圖精度檢查方法與TDOM精度檢查方法相同；平面檢查共210個(gè)點(diǎn)，DLG平面位置中誤差為0.17m；高程檢查共149個(gè)點(diǎn)、高程中誤差為0.20m，滿足設(shè)計(jì)要求(表2、表3)。

表2 DLG平面精度統(tǒng)計(jì)

表3 DLG高程精度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)打破三維立體模型重建與攝影測(cè)量立體測(cè)圖的分割，實(shí)現(xiàn)了利用密集點(diǎn)云與正射影像繪制大比例尺地形圖的設(shè)想。不再使用立體眼鏡，在三維立體模型上進(jìn)行DLG矢量化；減少了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。但是，利用TDOM與密集點(diǎn)云進(jìn)行地形圖繪制要求作業(yè)人員具有較高的地形圖繪制素質(zhì)，豐富的外業(yè)經(jīng)驗(yàn)。植被覆蓋密集區(qū)域?qū)c(diǎn)云精度的影響和對(duì)地面高程精度的影響較大，在這些區(qū)域，還需采用全站儀實(shí)測(cè)地物與高程。在我國(guó)北方深秋、冬季、春季采用該辦法比較合適。

(2)實(shí)驗(yàn)條件有一定的局限性，試驗(yàn)區(qū)地形為平地，起伏較小，在丘陵和山地等起伏較大的地形能否適用還需驗(yàn)證。無人機(jī)低空攝影測(cè)量需要高配數(shù)據(jù)處理器，以提高影像數(shù)據(jù)處理能力。

(3)采用本方法進(jìn)行DLG生產(chǎn)，需要采集一定量的檢核數(shù)據(jù)，對(duì)TDOM及DPC的精度進(jìn)行檢查，以確保DLG數(shù)據(jù)質(zhì)量。