無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在1∶5 0 0大比例尺地形圖中的應(yīng)用

周世濤李照宇

（1.海南省農(nóng)墾設(shè)計(jì)院有限公司，海南 海口570206；2.海南電網(wǎng)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，海南 ?？?70102）

0.引言

大比例尺地形圖含有詳細(xì)的地形要素和地理信息，是城市規(guī)劃、市政公用事業(yè)、土地管理必不可少的基礎(chǔ)資料。目前1∶500大比例尺地形圖測(cè)繪大部分仍采用數(shù)字化測(cè)圖方法成圖，該方法外業(yè)數(shù)據(jù)采集周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，工作效率低，人員投入大，不能滿足現(xiàn)階段城市發(fā)展需求。近年來(lái)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在地形圖測(cè)繪工作上已有大范圍投入，該技術(shù)結(jié)合了無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和傾斜攝影測(cè)量多傳感器多視角、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，在地形復(fù)雜危險(xiǎn)的區(qū)域可快速完成數(shù)據(jù)的采集，在后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量處理，成圖速度快，生產(chǎn)的三維模型可豐富產(chǎn)品內(nèi)容、滿足業(yè)主多樣化需求[2,3]。本文結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)制定了大比例尺測(cè)圖生產(chǎn)流程以及精度檢驗(yàn)方法，并以?？谑行阌^(qū)為例，驗(yàn)證該方法可實(shí)現(xiàn)1：500大比例尺地形圖測(cè)圖，成圖效率大大提高。

1.攝影測(cè)量技術(shù)

隨著傾斜攝影的迅速發(fā)展，通過(guò)傾斜攝影獲取高精度地表模型數(shù)據(jù)越來(lái)越普遍。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)垂直攝影測(cè)量相比，該技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)搭載多臺(tái)傳感器從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場(chǎng)角、更詳細(xì)的地物信息數(shù)據(jù)[4,5]。平臺(tái)搭載GPS/IMU系統(tǒng)在拍攝影像的同時(shí)可得到航高、航速、航向和旁向重疊、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)等，使獲取的每個(gè)相片具有高精度的方位元素信息，從而實(shí)現(xiàn)平面精度、高程精度能夠滿足1∶500大比例尺地形測(cè)量的要求。

2.技術(shù)路線設(shè)計(jì)

作業(yè)技術(shù)流程主要包括正射影像圖制作、地形圖測(cè)繪和地名地址調(diào)查。

圖1傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程圖

正射影像圖制作是利用已有的航片，通過(guò)相片控制測(cè)量、空三加密、DEM制作后，利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)原始航片進(jìn)行幾何糾正、鑲嵌、勻光勻色、裁切等處理獲得正射影像圖。地形圖測(cè)繪采用航測(cè)方法，利用已有的航片，通過(guò)相片控制測(cè)量、空三加密、通過(guò)航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集，外業(yè)調(diào)繪、實(shí)測(cè)高程后，在計(jì)算機(jī)上使用數(shù)字測(cè)繪軟件編輯成圖。地名地址調(diào)查采用完成的地形圖作為工作底圖，通過(guò)外業(yè)調(diào)繪、內(nèi)業(yè)整理，制作地名地址調(diào)查圖件及屬性數(shù)據(jù)。流程（如圖1所示）：

3.工程實(shí)踐

3.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于?？谑行阌^(qū)長(zhǎng)流鎮(zhèn)，主要為居民區(qū)，面積約為2.52km2，測(cè)區(qū)地形復(fù)雜高差較大。測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)了23個(gè)像控點(diǎn)，點(diǎn)間距約為120m。布點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意所布設(shè)點(diǎn)應(yīng)能有效控制住成圖范圍，若區(qū)域面積過(guò)大，航飛需要分區(qū)，接邊地區(qū)必須增設(shè)像控點(diǎn)。

采用HiCORS系統(tǒng)按照?qǐng)D根點(diǎn)精度進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量，所采集數(shù)據(jù)經(jīng)海南CORS中心處理，獲得各點(diǎn)的CGCS2000平面坐標(biāo)和正常高。

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為Motorsky-Q5四代，航線設(shè)計(jì)根據(jù)線路走向進(jìn)行航線設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)飛行6個(gè)架次，根據(jù)要求測(cè)量線路寬度，單架次5條航線。航攝相片1454張，POS數(shù)據(jù)749個(gè)，自適應(yīng)地形起伏模式，設(shè)計(jì)飛行相對(duì)高度140 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%。

3.2 內(nèi)業(yè)處理

內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理使用Context Capture軟件，處理過(guò)程主要為空中三角測(cè)量、三維建模。將外業(yè)測(cè)定的像片控制點(diǎn)成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，利用這些點(diǎn)對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對(duì)定向[7,8]。流程（如圖2所示）：

圖2空中三角測(cè)量過(guò)程示意圖

空中三角加密測(cè)量采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行觀測(cè)，完成平差解算。本項(xiàng)目航攝數(shù)據(jù)結(jié)合CORS數(shù)據(jù)，對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，從而獲得較高精度的POS數(shù)據(jù)。結(jié)合POS數(shù)據(jù)，高效、準(zhǔn)確地提取相片連接點(diǎn)，再使用像控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行平差解算。

通過(guò)空三加密過(guò)程，對(duì)于內(nèi)業(yè)檢核無(wú)誤的外業(yè)像控成果，直接使用外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)提供下一道工序使用，對(duì)于外業(yè)無(wú)法獲得的像控成果，使用空三加密后的成果資料提供下一道工序使用，對(duì)于空三加密過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的精度超限點(diǎn)位，要分析原因，確認(rèn)外業(yè)成果有誤的，若像控點(diǎn)位于加密區(qū)內(nèi)部，可以舍去。

空三加密成果的各項(xiàng)精度指標(biāo)應(yīng)滿足以下規(guī)定：

（1）相對(duì)定向：平地殘余上下視差不應(yīng)大于0.005mm；

（2）模型連接較差：

ΔS≤0.08×M×10-3

ΔZ≤0.05×M×f×10-3/b

式中，

ΔS為平面位置較差，單位：m；

△Z為高程較差，單位：m；

M為像片比例尺分母；

f為攝影儀焦距，單位：mm；

b為像片基線長(zhǎng)度，單位：mm。

（3）絕對(duì)定向：基本定向點(diǎn)殘差、多余控制點(diǎn)的不符值及公共點(diǎn)的較差不得規(guī)定限差。

（4）航線、區(qū)域網(wǎng)之間公共點(diǎn)接邊，平面和高程較差均不應(yīng)大于規(guī)定限差，取中數(shù)作為最后使用值。超過(guò)限差時(shí)，應(yīng)認(rèn)真檢查原因，重新計(jì)算。

空中三角測(cè)量完成后，及時(shí)查看精度報(bào)告是否符合基本精度指標(biāo)要求，在獲得符合技術(shù)精度要求的空三后，進(jìn)行三維建模處理。

正射影像制作技術(shù)要求：

（1）單片糾正時(shí)，采用逐片糾正方式，按照成圖規(guī)格要求，采取最大區(qū)域化成圖，防止成果區(qū)域影像漏洞。

（2）優(yōu)先選取相片中心投影差小的影像進(jìn)行拼接，必須經(jīng)過(guò)合理有效的影像鑲嵌來(lái)消除不同相片上由于建筑物及高大樹木的投影差而帶來(lái)的誤差。

（3）鑲嵌線盡量沿自然線性地物劃出，如道路、河流、湖泊邊線、山脊、山谷、樹縫、田埂等影像變換處，避免穿越房屋、地塊、高于地面地物等。

（4）鑲嵌后要保證地物的完整性和相對(duì)關(guān)系的正確性。

鑲嵌、勻光勻色處理

（1）鑲嵌處理。糾正生成的正射影像圖，必須進(jìn)行鑲嵌處理，確保線狀和面狀地物的完整性，實(shí)現(xiàn)相鄰正射影像圖的無(wú)縫拼接。

（2）勻光勻色處理。先查看原始相片的情況，選取合適的樣本數(shù)據(jù)，在保證地物不失真的情況下，盡量使直方圖拉開(kāi)，呈正態(tài)分布。勻色時(shí)，采用適普公司或航天遠(yuǎn)景公司的影像勻光模塊，分塊勻色，根據(jù)影像的大小塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，且應(yīng)排除像片邊緣的黑色或白色的無(wú)效區(qū)域。檢查勻色后的影像，并在Photoshop中對(duì)一些勻色不好的地方進(jìn)行局部手工調(diào)整。

（3）立交橋的完整性和接邊問(wèn)題。可采取分層編輯DEM的辦法，進(jìn)行多次正射糾正和拼接。可通過(guò)用特征矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正。

正射影像圖制作過(guò)程中，需要對(duì)質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要包括以下內(nèi)容：

（1）檢查影像文件的定位點(diǎn)、地理定位坐標(biāo)、X與Y方向的像元地面尺寸、行列數(shù)等是否正確。

（2）檢查像對(duì)之間的鑲嵌誤差、圖幅之間的接邊差是否符合要求、影像是否存在局部模糊，影像是否重影、地物是否扭曲變形等。

（3）正射影像圖的色調(diào)、飽和度較差，像對(duì)間鑲嵌邊緣反差和灰度是否存在明顯不一致等。

采用Context Capture軟件進(jìn)行三維重建時(shí)，自動(dòng)化程度較高，基本不需要人工干預(yù)。在軟件完成地表三維重建后，即可生成測(cè)區(qū)三維模型成果，導(dǎo)出清華山維EPS軟件識(shí)別的OSGB格式。測(cè)區(qū)地表三維模型（如圖3所示）：

圖3測(cè)區(qū)地表三維模型

在EPS軟件中完成某區(qū)塊的全要素采集后，即可導(dǎo)出DWG格式文件，在選擇南方CASS軟件配置后，導(dǎo)出的DWG格式文件時(shí)，可直接對(duì)應(yīng)CASS的要素層、代碼、線型、線寬等。然后在南方CASS中對(duì)地形圖進(jìn)行進(jìn)一步地編輯與修飾，獲得最終的地形圖，（如圖4所示）：

圖4局部地形圖

4.精度分析

完成地形圖測(cè)繪后，首先需評(píng)定1∶500地形圖成果的數(shù)學(xué)精度。根據(jù)工程攝影測(cè)量規(guī)范，平面點(diǎn)位精度和高程注記點(diǎn)精度要求（如表1所示）：

表1一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地形攝影測(cè)量的基本精度

為了檢驗(yàn)基于三維模型量測(cè)地形圖的可行性和精度，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)采用RTK技術(shù)均勻量測(cè)一些特征點(diǎn)[10]，包括道路拐角、房角、墻角、井蓋、溝渠等可以快速識(shí)別的特征點(diǎn)。本次采用全站儀測(cè)量了38個(gè)房角點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)采用RTK測(cè)量了20個(gè)高程點(diǎn)。精度對(duì)比結(jié)果（如表2所示）。

表2房角點(diǎn)平面精度對(duì)比表

根據(jù)表2中的ΔX、ΔY和ΔXY數(shù)據(jù)，就可以依據(jù)中誤差公式求解出檢查點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差

式中，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

按等精度檢測(cè)，計(jì)算傾斜攝影測(cè)量平面中誤差為：0.027m。

采用RTK外業(yè)測(cè)量了20個(gè)高程點(diǎn)，高程點(diǎn)點(diǎn)位的選取基本為路面上的明顯特征點(diǎn)，如油漆標(biāo)志、窨井蓋等，（如圖5所示）然后，內(nèi)業(yè)在模型上取出該點(diǎn)的高程。將實(shí)測(cè)高程與模型上測(cè)量高程進(jìn)行對(duì)比，（如表3所示）：

表3高程誤差對(duì)比表

圖5高程對(duì)比點(diǎn)點(diǎn)位的選取

根據(jù)表3中的Δh數(shù)據(jù)，就可以依據(jù)公式（2）求解出檢查點(diǎn)的高程中誤差

式中：n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

按等精度檢測(cè)，計(jì)算出傾斜攝影測(cè)量高程中誤差為：0.031m。

通過(guò)平面中誤差和高程中誤差可知，該方案滿足1∶500大比例尺地形圖精度要求。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)提供了復(fù)雜危險(xiǎn)地區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪方案，實(shí)現(xiàn)1∶500大比例尺繪圖流程化作業(yè)，與傳統(tǒng)測(cè)圖技術(shù)相比，該方法極大地節(jié)約了測(cè)圖成本，工期縮短超過(guò)一半，簡(jiǎn)單的工作流程使工作人員容易操作。精度方面在平面精度為0.027m，高程精度為0.031m，成果精度達(dá)到了1∶500大比例尺地形圖質(zhì)量要求，為地形復(fù)雜的區(qū)域提供了經(jīng)驗(yàn)。