縱橫無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用分析

武換咪

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院，陜西 西安 710001）

0 引言

大比例尺地形圖是各行各業(yè)規(guī)劃管理必不可少的基礎(chǔ)資料，人工施測(cè)大比例尺地形圖通常面臨著工作效率低，成圖周期長(zhǎng)，成本消耗大的問(wèn)題。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)著無(wú)人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的快速拓展。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量可進(jìn)行正射測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量，這兩種方法均已應(yīng)用于大比例尺地形圖的測(cè)制，其中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量由于更直觀、操作更簡(jiǎn)單，近兩年來(lái)發(fā)展迅猛。本文利用縱橫CW-10C 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲得的影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型，與外業(yè)人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行大比例尺測(cè)圖的可行性。

1 傾斜數(shù)據(jù)獲取

1.1 設(shè)備情況

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為某平原地區(qū)傾斜項(xiàng)目中一個(gè)架次數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目面積8 km2，本架次航攝范圍大小為2.7 km×7.1 km，該地區(qū)地形為一般平坦地區(qū)，河道人工砌筑，兩岸分布旱地及果園，施測(cè)時(shí)間為4 月份，無(wú)茂密植被覆蓋。該傾斜項(xiàng)目最終成果為1∶2000 成果，航攝地面分辨率優(yōu)于0.1 m，使用縱橫無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取傾斜影像數(shù)據(jù)?？v橫CW-10C 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)性能參數(shù)見表1。

表1 CW-10C 性能參數(shù)

無(wú)人機(jī)搭載五組Sony Lice 5100 鏡頭拼裝相機(jī)，其性能參數(shù)見表2。

表2 Sony Lice 5100 性能參數(shù)

1.2 航攝技術(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 航線敷設(shè)

采用成都縱橫CW-10C 免像控航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行航攝任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)及飛行控制。沿河流方向布設(shè)航線。航向重疊率為75%、旁向重疊率為65%。航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于2 條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的50%。同一航線上相鄰像片的航高差不大于30 m，最大航高差和最小航高差之差不大于50 m，實(shí)際航高和設(shè)計(jì)航高之差不大于50 m。

1.2.2 航攝地面分辨率與航高的確定

（1）地面分辨率：1∶2000 地形圖地面分辨率優(yōu)于0.10 m；

（2）本測(cè)區(qū)航攝相對(duì)航高不高于500 m，本次作業(yè)航攝相對(duì)航高設(shè)置為400 m。

1.2.3 影像質(zhì)量

（1）影像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和；能辨認(rèn)出與地面分辨率相適的細(xì)小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。

（2）影像上無(wú)云、云影、煙、大面積反光、污點(diǎn)等缺陷。雖然存在少量缺陷，但不影響立體模型的連接和測(cè)繪，可以用于模型制作。

（3）拼接影像無(wú)明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。

1.3 像控點(diǎn)的測(cè)量

1.3.1 像控點(diǎn)點(diǎn)位選設(shè)要求

（1）像控點(diǎn)選在旁向重疊的中線附近，離開方位線的距離大于像幅寬的20%，距像片邊緣不小于0.1 cm 或50 個(gè)像素。

（2）像控點(diǎn)的目標(biāo)影像清晰，易于判刺和立體量測(cè)的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)，高程起伏較小、常年相對(duì)固定且易于準(zhǔn)確定位和量測(cè)的地方?；【€地物及陰影處不能作為點(diǎn)位目標(biāo)。

1.3.2 地標(biāo)點(diǎn)制作

地標(biāo)點(diǎn)以白灰撒制在地面空曠處，其天頂角45°范圍內(nèi)，無(wú)大的遮擋。形狀為“L”形，線條單邊長(zhǎng)度不小于1.0 m，寬度不小于0.15 m，測(cè)量的位置為“L”形拐角之外角處。

1.3.3 像控點(diǎn)測(cè)量

（1）像控點(diǎn)測(cè)量方法

采用GPS-RTK 的作業(yè)方法按圖根點(diǎn)精度進(jìn)行測(cè)量。

（2）像控點(diǎn)測(cè)量的精度

①平面精度：像控點(diǎn)相對(duì)于最近基本平面控制點(diǎn)的平面位置中誤差均小于0.2 m；

②高程精度：像控點(diǎn)相對(duì)于最近基本高程控制點(diǎn)的高程中誤差均小于±0.1 m。

1.4 獲得數(shù)據(jù)

（1）影像數(shù)據(jù)。飛行區(qū)域下視方向及同一時(shí)刻前后左右4個(gè)方向照片，各方向277 張，共1385 張照片。

（2）POS 數(shù)據(jù)文件。各個(gè)拍攝方向均應(yīng)有對(duì)應(yīng)POS 數(shù)據(jù)。

（3）控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。航向及旁向以800 m 為間距，布設(shè)一個(gè)平高像控點(diǎn)，控制點(diǎn)布設(shè)在重疊度大的地方，每個(gè)鏡頭都能拍到。

2 航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

傾斜攝影測(cè)量常用的處理軟件，目前比較流行的有：Bentley 公司的Context Capture center，人工干預(yù)少，可生成逼真的三維場(chǎng)景模型；像素工廠（Pixel Factory）StreetFactory 子系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)獲得的傾斜影像進(jìn)行幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建，提取典型地物的紋理特征，并對(duì)該紋理進(jìn)行可視化處理，最終得到三維模型。近幾年，國(guó)內(nèi)外多個(gè)軟件公司均順應(yīng)潮流，在以往常規(guī)攝影測(cè)量基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化，用以處理傾斜數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)即采用ContextCapture Master 軟件的AT 模塊采用光束法局域網(wǎng)平差法進(jìn)行空三計(jì)算。三維模型的生產(chǎn)使用該軟件處理的空三成果作為數(shù)據(jù)源。完全根據(jù)航攝獲取的影像數(shù)據(jù)制作三維模型成果，可以真實(shí)還原地物的空間位置、形態(tài)、顏色和紋理。輸出的三維模型格式為：OSGB。

3 EPS 環(huán)境下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)

目前市面上航測(cè)采集軟件大多都可以實(shí)現(xiàn)傾斜模型測(cè)圖，如航天遠(yuǎn)景MapMatrix 5.0,亦可以加載OSGB 數(shù)據(jù)在模型上進(jìn)行量測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)采用EPS 地理信息工作站進(jìn)行檢測(cè)，加載實(shí)景三維模型，采用二三維聯(lián)動(dòng)一體化測(cè)圖模式進(jìn)行高程數(shù)據(jù)的采集和更新?；赾ass 平臺(tái)，加載正射影像圖，完成地物采集，并導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)，繪制等高線，完成地形圖的繪制。

（1）數(shù)據(jù)加載。首先對(duì)OSGB 數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成測(cè)區(qū)DSM數(shù)據(jù)，選擇加載本地傾斜模型對(duì)其進(jìn)行加載，加載成功后，在三維顯示窗口即可以瀏覽測(cè)區(qū)模型。

（2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。本次實(shí)驗(yàn)所用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為RTK 外業(yè)實(shí)測(cè)，包含地物特征點(diǎn)及碎部點(diǎn)。以調(diào)入外部數(shù)據(jù)方式導(dǎo)入后，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)點(diǎn)和模型疊加顯示。

（3）檢測(cè)數(shù)據(jù)讀取。本架次航攝面積較大，人工實(shí)測(cè)區(qū)域位于航攝范圍中部，范圍大小800 m×400 m，按1∶2000 精度要求實(shí)測(cè)，包含河道及兩岸地物。選取河道東西兩岸所有實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行傾斜模型下的量測(cè)，用來(lái)進(jìn)行同精度高程檢測(cè)；選取實(shí)測(cè)范圍內(nèi)道路交叉口、攔水壩坡邊、污水篦子邊角等明顯地物點(diǎn)進(jìn)行傾斜模型下的量測(cè)，用來(lái)進(jìn)行同精度的平面和高程檢測(cè)。

在傾斜模型上，捕捉外業(yè)實(shí)測(cè)同位置進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)采集，共得到地物點(diǎn)20 點(diǎn)，碎部點(diǎn)317 點(diǎn)。

4 數(shù)據(jù)分析

工程測(cè)量中，對(duì)一般平坦地區(qū)而言，平面點(diǎn)位精度和高程注記點(diǎn)位精度要求見表3[1]。

表3 精度要求

同精度檢測(cè)中誤差計(jì)算公式:

（1）本次地物點(diǎn)差值對(duì)比見圖1。

圖1 地物點(diǎn)差值對(duì)比圖

平面點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，地物邊緣有虛化現(xiàn)象，電桿、電線塔基座、房屋邊緣等有高度起伏細(xì)小地物不好判別。本次地物點(diǎn)多位于路面，對(duì)比得平面和高程差值均小于0.3 m，統(tǒng)計(jì)得到平面中誤差m=0.11 m，高程中誤差m=0.14 m。工程測(cè)量1∶500 地形圖對(duì)平坦地區(qū)精度要求為平面0.3 m，高程注記0.16 m，本次地物特征點(diǎn)可滿足該精度要求。

（2）本次碎部點(diǎn)差值對(duì)比見圖2。

圖2 碎部點(diǎn)差值對(duì)比圖

碎部點(diǎn)高程誤差多集中在0～0.3 m 之間，其中大于0.33 m的有21 點(diǎn)，在總點(diǎn)數(shù)為317 點(diǎn)的情況下，已不滿足按照1∶500平坦地區(qū)地形圖基本等高距0.5 m 精度進(jìn)行粗差剔除。按照地形圖1 m 基本等高距進(jìn)行同精度檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)碎部點(diǎn)高程中誤差為m=0.14 m，滿足1 m 基本等高距精度要求。

（3）結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)，旱地?zé)o植被覆蓋，地面裸露，果園無(wú)樹葉遮蔽，可見大面積裸露土地，通視條件良好。所檢測(cè)地物點(diǎn)，均位于人工修筑加固路面或有明顯水泥澆筑處，檢測(cè)精度可達(dá)到1∶500 地形圖平面精度，可達(dá)到0.5 m 基本等高距要求。碎部點(diǎn)在測(cè)區(qū)均勻分布，通過(guò)對(duì)碎部點(diǎn)高程差值檢查發(fā)現(xiàn)：差值在0.3 m 以內(nèi)的，多為路面高程點(diǎn)。果園稀疏無(wú)枝葉覆蓋，但果樹陰影亦會(huì)影響模型精度，引起模型隆起，導(dǎo)致模型高程均高于實(shí)測(cè)高程。

5 結(jié)語(yǔ)

本次利用人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)縱橫傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明用該系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)制可行，但要達(dá)到0.5 m 基本等高距精度很難。本次實(shí)驗(yàn)所選測(cè)區(qū)，只在人工修筑硬化地區(qū)達(dá)到該精度，在半荒草地、荒草地、裸露耕地均只達(dá)到1m 基本等高距精度。在傾斜模式下測(cè)圖，可以減少外業(yè)工作量，縮減成本，更適合于1 m 以上基本等高距測(cè)圖，且無(wú)密集建筑物，無(wú)植被覆蓋地區(qū)，傾斜模型方式測(cè)圖，要滿足精度要求，仍需要與其他方法相結(jié)合。