基于傾斜攝影測(cè)量真三維1∶1 000地形圖制作流程及評(píng)估

趙節(jié)霞

(中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西西安 710199)

0 引言

航空攝影測(cè)量指的是用飛機(jī)通過(guò)航攝儀器對(duì)地面連續(xù)攝取像片，結(jié)合地面控制點(diǎn)測(cè)量、調(diào)繪和立體測(cè)繪等步驟，繪制出地形圖的作業(yè)。其應(yīng)用始于19世紀(jì)60年代，隨著科技的不斷發(fā)展，航空攝影測(cè)量經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量階段、解析攝影測(cè)量階段和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段，革新了空間數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)方法，顯示出了航空攝影測(cè)量的巨大的生命力和影響力。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域一項(xiàng)新興熱門(mén)的技術(shù)，它顛覆了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)融合了正射和傾斜影像，通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)航攝儀或傳感器同時(shí)從垂直傾斜等多個(gè)不同角度的拍攝將用戶引入真實(shí)世界。傾斜攝影平臺(tái)的發(fā)展使三維建模技術(shù)得以進(jìn)步。相機(jī)從多個(gè)位置多個(gè)角度拍攝的正射和傾斜影像一方面用于攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理，另一方面用于實(shí)景三維建模紋理數(shù)據(jù)。攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理利用攝影測(cè)量技術(shù)生成精準(zhǔn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為三維建模奠定基礎(chǔ)，正射和傾斜影像紋理信息豐富且覆蓋建模區(qū)的各角度可以滿足實(shí)景三維建模需求。

傳統(tǒng)的垂直航空攝影測(cè)量需要采集所有的地形地貌。在采集居民地部分，采集順序從最高層開(kāi)始，保證上層完整，再逐漸向下層采集，采集時(shí)測(cè)標(biāo)中心應(yīng)切準(zhǔn)房屋的外圍輪廓。外業(yè)調(diào)繪房屋以墻基外角連線為準(zhǔn)，圖上大于0．2 mm的房檐進(jìn)行房檐改正。無(wú)論城市或者農(nóng)村每幢樓都有房檐而且房檐基本都有差異，外業(yè)房檐的調(diào)繪工作量在整個(gè)調(diào)繪的任務(wù)中占40%的比重，地形圖編輯按照外業(yè)調(diào)繪進(jìn)行改檐，改檐在地形圖編輯中也同樣任務(wù)繁重。外業(yè)在調(diào)繪房檐時(shí)采用的是眼睛目估的方式，目估的誤差因人而異，因此一般沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工作人員會(huì)將院落圍墻和房基編輯成不在一條直線上。

如何利用傾斜攝影實(shí)景三維模型進(jìn)行1∶1 000比例尺地形圖制作，如何快速準(zhǔn)確改正房檐，降低傳統(tǒng)垂直航空攝影測(cè)量中外業(yè)調(diào)繪的工作量，是本篇文章論述的主題。

1 1∶1 000地形圖航空攝影測(cè)量技術(shù)流程

1．1 傳統(tǒng)的垂直航空攝影測(cè)量地形圖制作流程

傳統(tǒng)的垂直航空攝影測(cè)量1∶1 000比例尺地形圖制作流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的垂直航空攝影測(cè)量技術(shù)流程

1．2 傾斜攝影測(cè)量1∶1 000地形圖制作流程

傾斜攝影測(cè)量1∶1 000比例尺地形圖制作流程如圖2所示。

1．3 傾斜攝影測(cè)量真三維模型特點(diǎn)

聯(lián)合空中三角測(cè)量，自動(dòng)生成三維模型:利用傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維建模技術(shù)可將正射影像傾斜影像相結(jié)合進(jìn)行平差計(jì)算自動(dòng)化構(gòu)建三維模型和紋理映射，最終生成逼真的三維場(chǎng)景。

圖2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程

建筑物側(cè)面紋理可采集:針對(duì)數(shù)字城市對(duì)三維的應(yīng)用需求，航空攝影方式可以大規(guī)模采集數(shù)據(jù)，從傾斜影像智能提取及紋理映射能夠大大提高三維建模效率，降低成本。同一地點(diǎn)的側(cè)面影像可多次采集以從中選擇最佳紋理。

數(shù)據(jù)量小適于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布:應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景三維模型可快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，發(fā)布端包括PC端和手機(jī)移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)了共享應(yīng)用。

能夠反映地物周邊真實(shí)情況:真實(shí)性是傾斜攝影測(cè)量真三維模型的最大特點(diǎn)，實(shí)景三維模型讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，可以逼真地觀察地物地貌，仿佛身臨其境。

可實(shí)現(xiàn)三維模型量測(cè):生成的實(shí)景三維模型可直接進(jìn)行包括點(diǎn)坐標(biāo)、高度、距離、面積、角度、坡度等的量測(cè)，在此基礎(chǔ)上可以使用三維模型測(cè)量1∶1 000比例尺地形圖。

2 傾斜攝影三維模型測(cè)量制作地形圖特點(diǎn)

2．1 數(shù)據(jù)采編

使用EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)進(jìn)行地形圖數(shù)據(jù)采編，流程如圖3所示。

2．2 數(shù)據(jù)采編特點(diǎn)

圖3 EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)采編

三維實(shí)景模型和傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量采編相比，存在以下特點(diǎn):①傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量采編在立體模型下采集的地形圖數(shù)據(jù)只對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，需要外業(yè)調(diào)繪進(jìn)行地形圖定性，再進(jìn)行地形數(shù)據(jù)編輯，工作量大;②基于三維實(shí)景模型的真實(shí)性特點(diǎn)，作業(yè)人員在EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)下可以從多個(gè)角度真實(shí)地觀察地物地貌，因此三維實(shí)景模型采編可以直接省去外業(yè)調(diào)繪的環(huán)節(jié)，直接進(jìn)行地形圖數(shù)據(jù)采編;③對(duì)于房屋采集，由于原來(lái)的航空攝影測(cè)量看不到房屋側(cè)面，房屋一般二維測(cè)房頂，三維取高程。而基于三維實(shí)景模型采集可以采用5點(diǎn)法旋轉(zhuǎn)房屋不同側(cè)面，沿房屋房檐下房基進(jìn)行立面采集。對(duì)于房屋層次及性質(zhì)直接目視進(jìn)行房屋數(shù)據(jù)編輯?？梢灾苯酉龑?duì)于外業(yè)工作工作量占40%的房檐改正，其他的地形地貌也可以在EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)下直接目視調(diào)繪，直接完成數(shù)據(jù)采集、調(diào)繪及數(shù)據(jù)編輯工作。對(duì)于地理信息名稱的采集，可以收集相關(guān)的地名信息資料進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯。對(duì)于三維實(shí)景模型模糊、拉花的地方進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)志;④地形圖采編完成后，外業(yè)對(duì)地理信息名稱進(jìn)行巡視檢查，對(duì)三維實(shí)景模型模糊、拉花的地方進(jìn)行野外實(shí)測(cè);⑤針對(duì)野外巡視圖紙及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查修改。

3 傾斜攝影真三維模型測(cè)量地形圖評(píng)估

以2018年1月中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司承接的“西安市公安局航天分局航天基地警務(wù)大數(shù)據(jù)服務(wù)項(xiàng)目—1∶1 000數(shù)字化地形圖航空攝影測(cè)量項(xiàng)目”為例。本項(xiàng)目測(cè)區(qū)范圍為曲江千林郡以南，北長(zhǎng)安街以東，G65包茂高速以西，西楊萬(wàn)村以北，總共為25 km2。

本項(xiàng)目使用PAN-A5傾斜航攝儀航飛，使用Smart 3D軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量和三維實(shí)景建模。具體來(lái)說(shuō)，它通過(guò)對(duì)獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，最終得到三維實(shí)景模型。

3．1 工作量評(píng)估

項(xiàng)目使用常規(guī)垂直航空攝影測(cè)量和傾斜攝影真三維模型測(cè)量?jī)煞N方法進(jìn)行工作量評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和常規(guī)垂直航空攝影測(cè)量相比，傾斜攝影真三維模型測(cè)量在1∶1 000地形圖整個(gè)制作過(guò)程中，工作量有所減少，工作效率提高了19%。工作量比對(duì)評(píng)估見(jiàn)表1。

表1 兩種地形圖制作方法工作比對(duì)評(píng)估

3．2 數(shù)學(xué)精度評(píng)估

本測(cè)區(qū)地貌為丘陵地，按照CJJ/T 8－2011《城市測(cè)量規(guī)范》，地物點(diǎn)中誤差為0．5 m，注記點(diǎn)高程中誤差為0．5 m，相對(duì)位置中誤差為0．4 m。

本項(xiàng)目共完成1∶1 000比例尺地形圖127幅。按照有關(guān)質(zhì)量檢查驗(yàn)收規(guī)定，對(duì)傾斜攝影真三維模型測(cè)量成圖抽檢12幅。檢測(cè)方法為外業(yè)實(shí)測(cè)的方法。檢測(cè)結(jié)果如下，1∶1 000地形圖平面精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，1∶1 000地形圖高程精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，1∶1 000地形圖相對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表2 1∶1 000地形圖平面精度統(tǒng)計(jì)表

從表2、3、4可以看出，利用傾斜攝影三維實(shí)景模型制作1∶1 000比例尺地形圖數(shù)學(xué)精度完全滿足相應(yīng)成圖規(guī)范的要求。

表3 1∶1 000地形圖高程精度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影三維實(shí)景模型由于影像數(shù)據(jù)是從空中俯視拍攝的地面區(qū)域，因此在樹(shù)林、植被密集的地方，存在三維模型遮擋和拉花，本項(xiàng)目針對(duì)遮擋和拉花的區(qū)域采用全野外實(shí)測(cè)的方法進(jìn)行。為彌補(bǔ)全野外實(shí)測(cè)工作量較大的這一不足，未來(lái)可以利用地面拍攝影像比如街景掃描與傾斜攝影測(cè)量相結(jié)合進(jìn)行后續(xù)研究。

表4 1∶1 000地形圖相對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)表