傾斜攝影測量技術(shù)在灘涂數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

摘? 要：近年來傾斜攝影測量技術(shù)愈發(fā)成熟，作為一種高效率、高性價比的數(shù)據(jù)采集手段，其具備大量的應(yīng)用創(chuàng)新點可以挖掘。灘涂區(qū)域數(shù)據(jù)采集受地形、地貌、潮位影響，是測繪外業(yè)工作的難點所在。文章以莆田市藍(lán)色海灣整治行動項目沿海灘涂數(shù)據(jù)采集工作為例，研究通過傾斜攝影測量技術(shù)采集淺海灘涂數(shù)據(jù)的可行性，并分析所采集數(shù)據(jù)成果的精度和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：灘涂數(shù)據(jù)采集;傾斜攝影測量;免像控;裸眼3D采集

中圖分類號：P231? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0037-04

Application of Oblique Photogrammetry in Mudflat Data Acquisiton

ZHANG Qiang

（Fujian Provincial Investigation，Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower，F(xiàn)uzhou? 350001，China）

Abstract：In recent years，oblique photogrammetry technology has become more and more mature. As an efficient and cost-effective data acquisition method，it has a large number of application innovation points to explore. Data acquisition of tidal flat area is affected by topography，landform and tide level，which is the difficulty of surveying and mapping field work. Taking the coastal beach data collection work of Putian Blue Bay regulation action project as an example，this paper studies the feasibility of collecting shallow sea mudflat data by using oblique photogrammetry technology，and analyzes the accuracy and quality of the collected data.

Keywords：mudflat data collection;oblique photogrammetry;image free control;naked eye 3D acquisition

0? 引? 言

潮間帶灘涂數(shù)據(jù)采集是測繪外業(yè)工作中的難點所在，傳統(tǒng)采集手段受限嚴(yán)重。傳統(tǒng)手段數(shù)據(jù)采集情況如下：人工攜帶RTK測繪，受淤泥覆蓋層、水道、潮水等因素影響，采集效率低，安全隱患大;全站儀免棱鏡測繪，受作業(yè)半徑、設(shè)站條件等因素影響，采集效率低，部分特征點采集困難;測深船水下測量，作業(yè)時長和安全性受潮水、地形特點、養(yǎng)殖區(qū)等因素影響明顯。采用無人機(jī)搭載傾斜攝影設(shè)備進(jìn)行灘涂區(qū)域數(shù)據(jù)采集在效率與安全性上比傳統(tǒng)手段更合適，其比傳統(tǒng)航測手段航線設(shè)計更加靈活、產(chǎn)品類型更豐富、內(nèi)業(yè)成圖更便捷，相比機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)成本更低。

1? 項目概況

莆田市藍(lán)色海灣整治行動項目位于福建省莆田市，含木蘭溪入?？谧禹椖亢蛬屪娉亲禹椖?。工程通過海岸帶生態(tài)修復(fù)、濱海濕地生態(tài)修復(fù)、海岸海域生態(tài)修復(fù)，構(gòu)建完善的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)海岸帶局部區(qū)域的生物多樣性，提升局部區(qū)域海水水質(zhì)。本文將木蘭溪入?？谧禹椖康臑┩繑?shù)據(jù)采集工作作為研究內(nèi)容，項目區(qū)位置如圖1所示，呈不規(guī)則形狀，數(shù)據(jù)成果要求1：1 000地形圖及相應(yīng)的DOM、DEM、傾斜三維模型。涉及的灘涂面積為2.38 km2，分布為左岸涵江區(qū)0.52 km2，右岸秀嶼區(qū)1.86 km2。測區(qū)高程主要分布在–1.5～2.5 m，以泥灘為主，漲落潮時海水渾濁，其與灘涂在視覺上很難分辨。周邊為黃蟶的重要養(yǎng)殖區(qū)域，且水道較多地形復(fù)雜。在交通條件上，外圍基本被蟶塘包圍，車輛通行條件較差。圖2為項目區(qū)右岸局部地形示意圖。

2? 技術(shù)路線

2.1? 技術(shù)難點

項目區(qū)落差僅4 m左右，受漲落潮影響大，可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)時長較短，對外業(yè)時機(jī)選擇及航線設(shè)計有較高要求。采用傾斜攝影測量技術(shù)，項目區(qū)還存在地面控制點布設(shè)難度大，標(biāo)識物無法長期有效地存在，地物特征點較少等難題。

2.2? 技術(shù)流程

根據(jù)項目區(qū)條件，選擇適合作業(yè)的時間點，采用免像控技術(shù)，采用航帶與面狀相結(jié)合的方式進(jìn)行航線規(guī)劃，實現(xiàn)對項目區(qū)90%以上的灘涂的數(shù)據(jù)采集。然后，利用人工采集數(shù)據(jù)與船載水深測量數(shù)據(jù)，對傾斜攝影測量成果進(jìn)行精度分析，結(jié)合GIS、測繪技術(shù)完成數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，滿足項目對數(shù)據(jù)要求。具體技術(shù)流程如圖3所示。

3? 項目實施

3.1? 資料收集

收集的資料內(nèi)容除測繪基礎(chǔ)資料以外，還包含氣象、潮汐、灘涂范圍等。作業(yè)時間點是根據(jù)風(fēng)速、雨情預(yù)測結(jié)合潮汐周期確定，最大限度保障作業(yè)安全及傾斜攝影采集數(shù)據(jù)的完整度。

3.2? 人工數(shù)據(jù)采集

人工數(shù)據(jù)采集包含像控點（檢查點）和地形高程檢查點，采集方式為RTK結(jié)合全站儀。左右岸測區(qū)在傾斜攝影作業(yè)前，均勻布設(shè)13個像控點（檢查點）。像控點（檢查點）采用網(wǎng)絡(luò)RTK（FJCORS定位服務(wù)）進(jìn)行觀測，測繪人員在完成檢查點測量的同時，采集檢查點周邊及往返方向上的地形高程檢查點。人工采集共測量13個像控點（檢查點）及406個地形高程檢查點數(shù)據(jù)。

3.3? 傾斜攝影測量

為滿足項目進(jìn)度要求，外業(yè)采集工作共投入4套無人機(jī)傾斜攝影測量設(shè)備（1套大疆M210 RTK、3套大疆精靈4 RTK）。項目所用無人機(jī)傾斜攝影測量設(shè)備均自帶厘米級定位服務(wù)，大疆精靈4 RTK還具備PPK功能。可以提供影像高精度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，滿足免像控作業(yè)要求數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理選用Bentley ContextCapture Center軟件平臺，具備輸出格式類型豐富、傾斜模型精細(xì)、后期處理工作量小等優(yōu)勢。

3.3.1? 航線規(guī)劃

經(jīng)過項目區(qū)及周邊空域環(huán)境調(diào)查，測區(qū)地勢平坦，周邊無高層建筑物影響飛行安全。為保證數(shù)據(jù)成果更加理想，現(xiàn)場采集時航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置如下：

（1）地面分辨率設(shè)計為3.0 cm～4.2 cm，數(shù)據(jù)采集要求高于1：1 000比例尺航測規(guī)范要求。

（2）重疊率：航向80.0%、旁向75.0%。換算后最高點最小重疊度為航向74.4%、旁向69.8%滿足項目生產(chǎn)需求。

（3）飛行速度：考慮到江口風(fēng)力及下午光照條件影響，飛行速度不高于8 m/s。

（4）快門及光圈：101S-PSDK相機(jī)設(shè)置為快門速度1/1 000 s，光圈5.6。FC6310R相機(jī)設(shè)置為快門速度1/640 s，光圈5.6。

（5）航線規(guī)劃模式：靠近低潮線采用帶狀飛行模式，飛行方向平行于低潮線，結(jié)合面狀航線規(guī)劃方式完成整體數(shù)據(jù)采集，飛行區(qū)域按測區(qū)邊界均外擴(kuò)航高1.4倍以上。

3.3.2? 數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)飛行區(qū)域覆蓋面積約3 km2，共拍攝相片23 442張，作業(yè)流程耗時約3.5 h。飛行過程中，氣候條件良好，照片成果數(shù)據(jù)完整、圖像清晰、色彩豐富、無明顯缺陷。PPK合格率100%，RTK固定率100%，POS坐標(biāo)數(shù)據(jù)與照片編號匹配正確。

3.3.3? 空中三角測量

項目左右岸測區(qū)有一定距離，沒有像素連接關(guān)系，需構(gòu)建兩個工程進(jìn)行計算。兩個工程分別采用免像控方式結(jié)算，13個像控點作為檢查條件?？罩腥菧y量采用Bentley ContextCapture Center軟件進(jìn)行計算。具體步驟如下：

（1）新建區(qū)塊。建立兩個區(qū)塊，按左右岸項目區(qū)分別進(jìn)行命名。

（2）導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)。在區(qū)塊中導(dǎo)入對應(yīng)影像數(shù)據(jù)，按相機(jī)對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。匹配每個相機(jī)分組的光學(xué)屬性。

（3）導(dǎo)入POS坐標(biāo)數(shù)據(jù)。首先建立項目區(qū)控制網(wǎng)七參數(shù)模型，將所有POS坐標(biāo)數(shù)據(jù)原有的WGS-1984坐標(biāo)系統(tǒng)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)、1985國家高程基準(zhǔn)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入，將影像數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)匹配，保留影像中原有的角元素數(shù)據(jù)。

（4）空中三角測量計算。平差約束條件選擇高精度影像定位元數(shù)據(jù)，空中三角測量結(jié)束后，檢查連接點質(zhì)量、檢查點精度、影像位置、相機(jī)屬性等均符合精度要求，具體內(nèi)容詳見精度分析。

3.3.4? 攝影測量數(shù)據(jù)成果生產(chǎn)

在空中三角測量完成后，項目進(jìn)入三維模型、正射影像及高程數(shù)據(jù)成果生產(chǎn)階段。在ContextCapture Center軟件中新建三維重建，定義空間框架為CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger zone 40（EPSG：4528），處理設(shè)置選擇默認(rèn)。采用自適應(yīng)切塊生產(chǎn)模式（切塊大小40 G，取決于集群中最低計算機(jī)性能）。在三維重建下進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，定義生產(chǎn)目的、數(shù)據(jù)類型等。本項目中主要生產(chǎn)的數(shù)據(jù)類型有：三維實景模型（OSGB格式、I3S格式）、DOM（TIF格式）、DSM（TIF格式）。其中OSGB數(shù)據(jù)與DOM數(shù)據(jù)結(jié)合，作為DLG數(shù)字線劃圖采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。I3S格式提供給設(shè)計人員，在信息化平臺展示時使用。

3.4? 船載水深測量

采用船載水深測量對測區(qū)進(jìn)行每200 m一條航線的檢查數(shù)據(jù)水下采集工作，采集總長度11 km，共采集1 095個檢查點。檢查正射鏡頭的快拼影像時，發(fā)現(xiàn)在水道部分底部可能存在水流。為提高數(shù)據(jù)精度，提取水道范圍矢量數(shù)據(jù)，安排測深船進(jìn)行數(shù)據(jù)補充采集。

4? 精度分析

4.1? 空中三角測量精度

空中三角測量精度決定了傾斜攝影測量成果質(zhì)量，下面我們將對左右岸兩個測區(qū)的質(zhì)量報告中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，了解項目的空中三角測量精度情況。

（1）影像位置與輸入位置的距離。項目采用高精度影像定位元數(shù)據(jù)作為平差約束條件，影像位置空中三角測量結(jié)果與輸入數(shù)據(jù)沒有太大偏差。

左岸的空中三角測量影像位置結(jié)果與輸入位置的距離，最小距離為0.000 3 m，最大距離為0.042 6 m。右岸存在45張影像水面占比較大，影響空中三角測量精度。將這些影像剔除后，右岸影像位置的空中三角測量結(jié)果與輸入位置的距離最小為0.000 4 m，最大距離為0.103 2 m。兩個分區(qū)影像位置的空中三角測量結(jié)果精度良好。

（2）連接點質(zhì)量。空中三角測量連接點的誤差會影響密集點云的精度，間接影響最終成果的精度。其中，像點重投影誤差的均方根結(jié)果是反應(yīng)空中三角測量精度的重要指標(biāo)之一。ContextCapture Center軟件推薦的精度要求為像點中位重投影誤差小于0.50個像素，像點重投影誤差的均方根結(jié)果小于0.70個像素。

左岸連接點像點中位重投影誤差為0.34個像素，像點重投影誤差的均方根為0.52個像素。右岸連接點像點中位重投影誤差為0.38個像素，像點重投影誤差的均方根為0.57個像素。滿足精度要求。

（3）像控點（檢查點）精度。檢查點的精度可以直觀反應(yīng)空中三角測量結(jié)果精度情況，但由于灘涂項目的特殊性，檢查點數(shù)量布設(shè)較少，主要用于平面位置精度的檢查。本項目所測的檢查點均為平高點，其中左岸4個，右岸9個。根據(jù)數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范，檢查結(jié)果如表1所示。

4.2? 三維模型精度分析

4.2.1? 細(xì)節(jié)檢查

通過檢查，三維模型的紋理細(xì)節(jié)完整，灘涂上的養(yǎng)殖地貌特征明顯、線狀地物延續(xù)性良好、水邊高程合理。對模型進(jìn)行初步檢查，除水面以外未發(fā)現(xiàn)失真扭曲的情況。

4.2.2? 像控點（檢查點）檢查

使用裸眼3D測圖平臺，將像控檢查點導(dǎo)入模型進(jìn)行模型的絕對精度對比，與空中三角測量成果對比誤差吻合。

4.2.3? 地形點檢查

將人工采集與船載水深測量的地形點作為三維模型檢查數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地反映三維模型的高程精度情況。將地形點序號、坐標(biāo)和三維模型匹配的DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Global Mapper軟件。先把植被覆蓋區(qū)、水下部分等高程點剔除，剩余1 133個點采用高程提取功能讀取DSM高程屬性，將提取后的模型高程值與實測高程進(jìn)行對比。其中左岸324個點，右岸809個點。

項目區(qū)灘涂水深不超過10 m。按照GB 50026—2007《工程測量規(guī)范》要求，高程中誤差為1/3等高距離。根據(jù)GB/T 17501—2017《海洋工程地形測量規(guī)范》，在深度測量中，當(dāng)水深小于或等于20 m時，深度測量中誤差小于或等于0.2 m。

左岸分區(qū)三維模型高程誤差檢查結(jié)果中，絕對誤差低于10 cm的點有279個，占86%;絕對誤差在10～20 cm之間的有42個，占13%;超過20 cm的點有3個，經(jīng)檢查3個點均為植被覆蓋區(qū)漏刪的情況，需剔除。

右岸分區(qū)三維模型高程誤差檢查結(jié)果中。絕對誤差低于10 cm的點有711個，占88%;絕對誤差在10～20 cm之間的有98個，占12%;無誤差超過20 cm的數(shù)據(jù)。

5? 成果制作

5.1? 數(shù)字線劃圖制作

采用裸眼3D測圖軟件，加載傾斜模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于灘涂地形的特殊性，項目區(qū)大部分地形可以通過高程點批量提取的方式生產(chǎn)，測圖效果圖如圖4所示。

本項目批量提取高程點的格網(wǎng)間距為2 m，2 m格網(wǎng)高程點數(shù)據(jù)用于等高線的生產(chǎn)。利用ArcGIS子集工具對高程點進(jìn)行30%不規(guī)則抽稀，抽稀成果按15 m間隔輸入CAD作為高程注記。同時，在線劃圖中加入船載水深測量數(shù)據(jù)、人工采集數(shù)據(jù)，對數(shù)字線劃圖成果進(jìn)行匯總、編輯制作。

5.2? DEM成果

將2 m格網(wǎng)高程點數(shù)據(jù)與船載水深測量數(shù)據(jù)、人工采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，利用ArcGIS地形轉(zhuǎn)柵格功能，按比例尺1：1 000設(shè)定參數(shù)，生產(chǎn)DEM數(shù)據(jù)。

5.3? 其他數(shù)據(jù)成果

項目需要提供高精度、真三維、可量測的三維實景模型，供設(shè)計方案展示使用。采用傾斜攝影測量技術(shù)可以快速構(gòu)建項目區(qū)三維實景模型。三維實景模型（OSGB格式、I3S格式）、DOM（TIF格式）由ContextCapture Center軟件直接輸出，同時軟件支持較多數(shù)據(jù)格式如OBJ、3SM等格式的輸出，可與三維設(shè)計平臺對接。

6? 結(jié)? 論

傾斜攝影測量技術(shù)為灘涂數(shù)據(jù)采集提供了新的作業(yè)方案，將其應(yīng)用在藍(lán)色海灣綜合整治項目的灘涂數(shù)據(jù)采集項目中，數(shù)據(jù)成果精度良好。傾斜攝影測量技術(shù)服務(wù)于灘涂數(shù)據(jù)采集，灘涂地形圖的生產(chǎn)可以極大地降低數(shù)據(jù)采集的成本、減輕勞動強度、提高工作效率，同時可以提供豐富的數(shù)據(jù)成果，可以更好地為后期項目設(shè)計、管理服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.工程測量規(guī)范：GB 50026—2007 [S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2] 全國海洋標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.海洋工程地形測量規(guī)范：GB/T 17501—2017 [S/OL].北京：中國質(zhì)檢出版社，2017.

[3] 全國地理信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范：GB/T 23236—2009 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4] 全國地理信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.測繪成果質(zhì)量檢查與驗收：GB/T 24356—2009 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[5] 周曉波，王軍，周偉.基于無人機(jī)傾斜攝影快速建模方法研究 [J].現(xiàn)代測繪，2017，40（1）：40-42.

[6] 楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望 [J].測繪與空間地理信息，2016，39（1）：13-15+18.

[7] 譚金石，黃正忠.基于傾斜攝影測量技術(shù)的實景三維建模及精度評估 [J].現(xiàn)代測繪，2015，38（5）：21-24.

[8] 謝雄偉.傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用及展望 [J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（4）：24-25.

[9] LI J P，YANG B S，CONG Y Z，et al. 3D Forest Mapping Using A Low-Cost UAV Laser Scanning System：Investigation and Comparison [J]. Remote Sensing，2019，11（6）：717.

作者簡介：張強（1985—），男，漢族，福建福清人，本科，測繪工程師，研究方向：攝影測量與遙感技術(shù)。