傾斜三維模型大比例尺城市地形圖測繪的應(yīng)用

摘 ?要：目前傾斜攝影測量技術(shù)成為攝影測量行業(yè)的研究熱點，并在自然災(zāi)害應(yīng)急、國土資源支路、數(shù)字城市建設(shè)等諸多領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用。同時隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪的應(yīng)用也日益普及。該文基于傾斜三維模型進行1：500地形圖測繪的應(yīng)用研究，并結(jié)合實例進行相關(guān)的精度分析，驗證其可行性，為大比例尺地形圖提供新的生產(chǎn)模式。

關(guān)鍵詞：傾斜三維模型;1：500地形圖;測繪技術(shù)

中圖分類號：P231;P217 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0114-03

Abstract：At present，tilt photogrammetry technology has become a research hotspot in photogrammetry industry，and has been widely used in natural disaster emergency，land and resources branch，digital city construction and many other fields. At the same time，with the rapid development of UAV technology，the application of tilt photogrammetry technology in large-scale topographic mapping is also increasingly popular. In this paper，the application of 1：500 topographic map surveying and mapping is studied based on the inclined 3D model，and the related accuracy analysis is carried out with an example to verify its feasibility，which provides a new production mode for large-scale topographic map.

Keywords：tilted 3D model;1：500 topographic map;surveying and mapping technology

0 ?引 ?言

隨著國家城市化的快速發(fā)展，對大比例尺城市地形圖數(shù)據(jù)更新周期提出新的要求。大比例尺城市地形圖測繪目前采用方法主要有全野外數(shù)字測圖方法、傳統(tǒng)航測的方法。其中，全野外數(shù)字測圖人力成本高，效率低導(dǎo)致更新周期長。而傳統(tǒng)航空攝影測量設(shè)備高且技術(shù)路線復(fù)雜，對作業(yè)人員要求高。因此，探索更新周期短且能夠保證精度的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集的方法迫在眉睫。

傾斜攝影測量技術(shù)是通過垂直和傾斜的視角同步采集影像，獲取頂面與側(cè)視紋理信息，自動生成傾斜三維模型的方法[1-3]。傾斜三維模型能夠真實、準(zhǔn)確地還原地物信息，并使地物可以量測，可以為傳統(tǒng)二維地形圖測量提供新的解決方案[4]。在高精度的傾斜三維模型上采集地物特征數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)中需要大量外業(yè)調(diào)繪以及豐富的數(shù)據(jù)采集經(jīng)驗等不足，能夠大幅度提高作業(yè)效率。本文基于無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的專業(yè)課“無人機測繪技術(shù)”課程的實訓(xùn)環(huán)節(jié)，對應(yīng)用傾斜三維模型進行大比例尺地形圖測繪的過程進行研究梳理，為能夠?qū)A斜三維技術(shù)具體實施于地形圖測繪應(yīng)用進行積極的探索。

1 ?傾斜三維模型生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)

傾斜三維模型的構(gòu)建主要包括多視角影像采集、空中三角測量、密集點云匹配、紋理模型映射等過程[3]，建立反映真實地物情況的傾斜三維模型。

1.1 ?數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了滿足生產(chǎn)要求，需要進行勻光勻色等相關(guān)影像預(yù)處理，保證測區(qū)范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)色調(diào)的一致。其次，利用非量測型數(shù)碼相機進行影像采集，其鏡頭畸變較大，為了提高圖像量測和三維構(gòu)建的精度，必須對相機的畸變誤差進行校正。

1.2 ?空中三角測量

通過自動配準(zhǔn)算法解算后會產(chǎn)生大量大重疊度以及少量粗差連接點，通過傾斜影像匹配點粗差檢測及自由網(wǎng)構(gòu)建，以少量地面控制點為平差條件，快速求解影像的定向及地面點加密，即多視角空中三角測量[5]。

1.3 ?密集點云匹配

密集匹配是在影像定向的基礎(chǔ)上求解密集同名像點的過程，也是攝影測量的基本問題之一。通過對相鄰影像進行密集匹配可以獲得視差圖，利用視差圖可以計算像點的深度，進而獲得地物的三維點云，相比于傳統(tǒng)攝影測量影像匹配，多視影像能夠獲得更大的覆蓋率，最終能得到更為精準(zhǔn)的數(shù)字地表模型。

1.4 ?紋理模型映射

紋理映射是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中像素的過程，其實質(zhì)是建立從屏幕空間到紋理空間及紋理空間到景物空間的兩個映射關(guān)系[5]。傾斜攝影技術(shù)中的紋理模型映射采用同一空間位置其他傾斜影像與正視影像數(shù)據(jù)進行紋理信息配準(zhǔn)，實現(xiàn)傾斜攝影三維紋理的映射。

2 ?基于傾斜三維模型的大比例尺城市地形圖測繪技術(shù)路線

基于傾斜三維模型的大比例尺地形圖測繪的流程主要包括：航攝準(zhǔn)備與計劃、多視角影像采集、像控點布設(shè)與量測、傾斜三維模型生產(chǎn)，DLG數(shù)據(jù)采集、外業(yè)補測等，技術(shù)路線圖如圖1所示。

3 ?基于傾斜三維模型的大比例尺城市地形圖測繪試驗

3.1 ?測區(qū)概況及航線設(shè)計

以溫州市龍灣區(qū)蒲州街道即將拆遷的工業(yè)廠房為試驗對象，測區(qū)面積約0.21 km2，地勢平坦，包含廠房、住宅小區(qū)及服務(wù)設(shè)施用地多類型城市建筑。

設(shè)計相對行高100 m，航向重疊度為80%以上，旁向重疊度為70%以上，地面分辨率優(yōu)于8 cm。飛行采集影像數(shù)據(jù)曝光、色彩與飽和度保持一致性，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

3.2 ?像控點布設(shè)及測量

以谷歌影像為基礎(chǔ)背景，預(yù)選像控點選取范圍以及大致布點情況，采用區(qū)域網(wǎng)布點的方法，布設(shè)像控點均需以平高點為主且分布均勻，主要遵循準(zhǔn)則如下：

像控點應(yīng)選取平坦且有明顯標(biāo)志、易于判讀的特征點;

在測點困難區(qū)航攝工作環(huán)節(jié)前采用噴漆方式進行像控點標(biāo)識;

測區(qū)四個角點以及中心位置均需布設(shè)像控點;

測區(qū)范圍內(nèi)間距150～200 m布設(shè)一個像控點;

密集建筑物區(qū)增加像控點點位布設(shè)密度，保證平面精度。

本測區(qū)主要布設(shè)了25個外業(yè)像控點，選取5個作為模型精度檢核點。采用RTK直接測量，控制點平面坐標(biāo)系統(tǒng)為溫州2000坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)。

3.3 ?傾斜三維模型生產(chǎn)

本次試驗采用ContextCapture軟件進行傾斜三維模型生成，主要生產(chǎn)步驟包括多視影像聯(lián)合平差、密集匹配、三維TIN構(gòu)建、白模生成以及紋理映射。

本次生產(chǎn)平差計算共選取25個平高點，其中檢查點有5個，平差結(jié)果顯示檢查點平面中誤差為3.57 cm，高程中誤差為9.12 cm，空三精度達到《GB/T 23236—2009 ?數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》要求。檢查影像模型以及測區(qū)范圍無誤后，生成OSGB格式模型用于地物數(shù)據(jù)采集，測區(qū)傾斜三維模型如圖2所示。

3.4 ?三維城市地形圖數(shù)據(jù)采集

使用清華山維EPS軟件中的三維測圖模塊，加載OSGB格式的三維模型數(shù)據(jù)以及DOM數(shù)據(jù)，在裸眼三維環(huán)境下，直接目視配合鼠標(biāo)進行各類地物的特征點與特征線的采集，完成測圖地物以及特征數(shù)據(jù)的采集與繪制。同時因傾斜三維模型具有準(zhǔn)確的高程信息，在模型上可進行高程點以及等高線數(shù)據(jù)采集。三維裸眼方式相比于傳統(tǒng)像對測量方式能夠直接地反映地物真實三維形態(tài)，易于采集房屋主體結(jié)構(gòu)并識別房屋層數(shù)進行標(biāo)注，對無大量植被遮擋的地表可進行精確采集，對各類地貌可以直接分辨確定，對作業(yè)員要求較低。

3.5 ?外業(yè)補測與調(diào)繪

由于植被等高層建筑物遮擋會造成對模型中的部分要素?zé)o法進行采集，因此需要在內(nèi)業(yè)三維采集完成后，進行外業(yè)調(diào)繪與補測，主要針對內(nèi)業(yè)因植被遮擋而無法判讀及量測的地物進行實地確認。主要包括以下幾個方面：

（1）對有植被或異形建筑物遮擋的地區(qū)進行補測;

（2）對內(nèi)業(yè)標(biāo)注無法準(zhǔn)確判讀的地形圖要素進行實地核查;

（3）對還需要的地物屬性信息比如道路單位名稱等相關(guān)信息進行調(diào)繪。相比于傳統(tǒng)航測，基于傾斜三維模型的成圖調(diào)繪工作量極大減少。

4 ?精度分析

為檢驗研究方法的可行性，需通過精度檢驗確保誤差滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗通過三維坐標(biāo)、平面坐標(biāo)兩方面進行精度對比分析：

（1）三維點位精度，如道路斑馬線角點、花壇角點等;

（2）平面位置明顯變化的點位精度，如房角點、臺階等。

4.1 ?試驗區(qū)內(nèi)三維點位精度分析

在測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布的選取25個點作為精度檢核點。通過全野外數(shù)字測圖量測檢核點的坐標(biāo)，其中平面精度為±0.01 m，高程精度為±0.02 m，測量結(jié)果符合檢核點測量規(guī)范要求，其中包含12個道路地面指示標(biāo)志角點、7個花壇角點、6個規(guī)則地物角點，精度對比如表1所示。

統(tǒng)計計算結(jié)果表示平面點位中誤差mxy=0.073 m，其中最大為0.126 m;高程點位中誤差mz=0.052 m，最大為0.135 m?！禛B/T 14912—2017 ?1：500 1：1 000 1：2 000外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》中規(guī)定，在城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地、丘陵地區(qū)的1：500比例尺下，地物點平面位置經(jīng)度點位中誤差為±0.300 m，高程中誤差為1/3倍等高距，對應(yīng)1：500測圖所要求的高程中誤差為0.167 m，可以驗證傾斜三維模型大比例尺地形圖測繪精度符合規(guī)范要求。

4.2 ?特征地物平面點精度分析

本試驗選取183個圍墻角點、房角點以及10處特征地物邊長，進行精度分析，與外業(yè)實測結(jié)果進行比對。由于特征點與密集點云匹配過程中，諸如房角點等特征地物的精度往往比平坦區(qū)域的特征點要低。統(tǒng)計計算各個點殘差并計算平面中誤差，如圖3所示。

其中平面中誤差mxy=0.133 m，最大點位殘差0.288 m，邊長殘差均值aveh=0.121 m，平面中誤差優(yōu)于《GB/T 14912—2017 ?1：500 1：1 000 1：2 000外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》所要求的1：500比例尺的中誤差。

5 ?結(jié) ?論

本文基于傾斜三維模型，進行大比例尺地形圖城市測繪應(yīng)用研究，利用搭載五鏡頭傾斜相機多旋翼無人機獲取頂視地面分辨率由于0.030 m的多視影像數(shù)據(jù)并生成傾斜三維模型，進行裸眼三維地形圖數(shù)據(jù)采集的試驗。精度驗證結(jié)果表現(xiàn)，基于傾斜三維模型的大比例城市地形圖測繪平面和高程精度均能滿足規(guī)范要求。

相比與傳統(tǒng)航測，該方法表現(xiàn)出極大優(yōu)勢：

（1）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)直觀易判讀，降低對地物采集人員的技術(shù)水平要求;

（2）大量減少外業(yè)調(diào)繪與補測工作，提高了地形圖生產(chǎn)效率;

（3）作業(yè)成本降低且作業(yè)機動靈活。但由于植被遮擋、部分復(fù)雜房屋區(qū)提取困難等問題，部分區(qū)域還需要利用傳統(tǒng)測量方法進行修補測，同時也不能避免人工判斷識別的誤判和漏判。

隨著多視影像數(shù)據(jù)采集硬件的革新、多視影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步，傾斜三維模型能夠在大比例尺城市地形圖測繪中發(fā)揮更大的作用。

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作者簡介：沈茗戈（1990—），女，漢族，浙江溫州人，工程師，碩士研究生，研究方向：無人機應(yīng)用。