傾斜攝影測(cè)量在條件復(fù)雜區(qū)域大比例尺地籍圖測(cè)繪中的應(yīng)用

邵瀚 劉心怡 劉冉 黃瑞

摘要：指出了近些年隨著航空攝影的發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)已在三維實(shí)景模型快速構(gòu)建中得到廣泛應(yīng)用，針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪方法難以在西部山區(qū)、林區(qū)、建筑物密集區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的情況，詳細(xì)描述了傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地籍圖測(cè)繪的技術(shù)流程，根據(jù)測(cè)區(qū)地勢(shì)起伏特點(diǎn)合理規(guī)劃了航線并采用變高飛行方案，以獲取高精度原始影像數(shù)據(jù)，該方案外業(yè)采集及內(nèi)業(yè)成圖自動(dòng)化程度較高，通過(guò)精度統(tǒng)計(jì)和分析，驗(yàn)證了該技術(shù)方案滿足復(fù)雜地區(qū)大比例尺地籍圖測(cè)圖要求。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量;大比例尺;地籍圖;航線設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0202-04

1?引言

傾斜攝影建模技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)將多臺(tái)傳感器搭載到飛行平臺(tái)，從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜5個(gè)不同的視角方向同步采集影像，從而獲取被攝物體頂面及側(cè)面的高分辨影像信息[1]，在記錄影像信息的瞬間，通過(guò)POS系統(tǒng)記錄拍照瞬時(shí)的三維坐標(biāo)值、航向傾角、旁向傾角、像片旋角外方位元素信息，利用采集的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)通過(guò)建模軟件快速構(gòu)建實(shí)景三維模型[2]。

傳統(tǒng)大比例尺地籍圖測(cè)繪方法主要利用RTK和全站儀實(shí)地采集特征點(diǎn)、地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再使用行業(yè)軟件編繪成果圖，由于大比例尺地籍圖測(cè)量要素多、精度要求高，在數(shù)據(jù)采集階段要求大量的測(cè)繪人員和儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，需要投入較高的人力和時(shí)間成本[3]。除此以外，在西部山區(qū)、林區(qū)、建筑物密集區(qū)等復(fù)雜環(huán)境作業(yè)，由于衛(wèi)星信號(hào)被阻擋，通視條件較差，使用傳統(tǒng)方法測(cè)量會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差超限，進(jìn)一步降低工作生產(chǎn)效率。

近些年隨著航空攝影的發(fā)展，使得飛行平臺(tái)搭載五鏡頭相機(jī)采集傾斜數(shù)據(jù)已較為成熟，也涌現(xiàn)出一系列將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地籍測(cè)量的成功案列[4]，但絕大多數(shù)案例區(qū)域多數(shù)為平坦區(qū)域，在復(fù)雜西部山林地區(qū)大比例尺地籍圖測(cè)圖項(xiàng)目中的應(yīng)用較少，本文以HARWAR MEGA-V8II為飛行平臺(tái)，搭載總像素1.92億、五鏡頭傾斜相機(jī)，對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模型建立、三維測(cè)圖、成果精度評(píng)價(jià)，驗(yàn)證傾斜攝影技術(shù)方案是否滿足復(fù)雜場(chǎng)景大比例尺地籍圖測(cè)圖規(guī)范要求[5]。

2?技術(shù)路線

基于傾斜攝影測(cè)量大比例尺地籍圖測(cè)繪的主要技術(shù)流程包括：資料收集與分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)測(cè)繪書的編制、航飛方案設(shè)計(jì)、像控點(diǎn)布設(shè)、傾斜數(shù)據(jù)采集、三維實(shí)景建模、內(nèi)業(yè)地籍要素采集、質(zhì)量檢查及精度評(píng)定等步驟，具體流程圖如圖1所示。

2.1?航飛設(shè)計(jì)階段

航飛設(shè)計(jì)階段首先要根據(jù)項(xiàng)目成果要求，收集測(cè)區(qū)已有資料，確定測(cè)繪坐標(biāo)系統(tǒng)，然后根據(jù)測(cè)區(qū)情況制定飛行技術(shù)方案，編寫航飛項(xiàng)目設(shè)計(jì)書。飛行技術(shù)方案內(nèi)容包括：確定無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傾斜攝影相機(jī)選擇、飛行區(qū)域、飛行航高、飛行速度、地面分辨率、航線重疊度和旁向重疊度、航帶架次數(shù)、照片曝光間隔等問(wèn)題，同時(shí)需要向空管部門進(jìn)行空域申請(qǐng)。

2.2?像控布設(shè)及作業(yè)飛行

考慮到大比例尺地籍圖成果精度要求高，需要外業(yè)工作人員對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，并選擇合適的場(chǎng)地以便無(wú)人機(jī)的起飛和降落。在項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)前，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注測(cè)區(qū)天氣狀況，選擇在能見(jiàn)度高、風(fēng)速較低、沒(méi)有降雨的天氣條件下開展數(shù)據(jù)采集作業(yè)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)預(yù)先布置像控點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，航飛人員應(yīng)與像控布設(shè)人員及時(shí)對(duì)接，在各個(gè)航帶測(cè)區(qū)完成像控布設(shè)后立即開展數(shù)據(jù)采集工作，以免布設(shè)的像控點(diǎn)被破壞。航攝任務(wù)完成后，應(yīng)及時(shí)檢查飛行和像片質(zhì)量是否合格，像片是否虛焦、過(guò)曝、丟片，POS數(shù)據(jù)是否存在缺失記錄等問(wèn)題。

2.3?空三加密及自動(dòng)建模

三維實(shí)景建模內(nèi)業(yè)處理過(guò)程中包括影像的預(yù)處理、像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空三加密計(jì)算、點(diǎn)云生成，不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及紋理映射等步驟，由于數(shù)據(jù)量較多，可以采用多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合運(yùn)算提高處理速度。目前國(guó)內(nèi)外已有多種軟件可以對(duì)傾斜影像進(jìn)行自動(dòng)解算，如ContextCapture、街景工廠、Photomesh等。

2.4?地籍圖生產(chǎn)

相比于傳統(tǒng)航測(cè)的雙目立體測(cè)圖方法，將實(shí)景三維模型導(dǎo)入到三維測(cè)圖軟件中，無(wú)需佩戴立體眼鏡，即可完成建筑物輪廓線的采集，由于建筑物存在屋檐、飄樓、陽(yáng)臺(tái)等構(gòu)件，在傳統(tǒng)航測(cè)測(cè)量時(shí)頂面建筑面積往往大于層建筑面積，通過(guò)實(shí)景三維模型，內(nèi)業(yè)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)屋檐、陽(yáng)臺(tái)、飄樓的改正。除此之外，在采集建筑物輪廓線的同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際三維模型的紋理信息對(duì)地物的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)進(jìn)行類別屬性的判別。

2.5?外業(yè)補(bǔ)調(diào)及屬性掛接

基于傾斜攝影測(cè)量三維建模的技術(shù)方案會(huì)存在建筑物遮擋和粘連的問(wèn)題，當(dāng)存在建筑物樓間距小、建筑物密集或者建筑物被樹木圍繞時(shí)，這些現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致實(shí)景三維模型構(gòu)建粘連、建筑物拉扯變形或者建模不完整的問(wèn)題存在。在內(nèi)業(yè)進(jìn)行建筑物輪廓線采集的同時(shí)，需要記錄此類問(wèn)題項(xiàng)，通過(guò)外業(yè)作業(yè)人員對(duì)問(wèn)題項(xiàng)進(jìn)行實(shí)地修補(bǔ)測(cè)，若存在房屋結(jié)構(gòu)不規(guī)則，存在較小的局部異性構(gòu)造、折角、弧線等情況，實(shí)景三維模型難以精確展示結(jié)構(gòu)的情況下，需要實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)。在房屋地籍信息缺失的情況下需要進(jìn)行實(shí)地屬性信息的采集，內(nèi)業(yè)人員在獲取到外業(yè)修補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)和地籍信息后需要進(jìn)行房屋輪廓修改和屬性掛接操作。

2.6?成果輸出及質(zhì)量檢查

在完成地籍全要素采集和外業(yè)修補(bǔ)測(cè)工作后，內(nèi)業(yè)人員需要對(duì)地籍圖進(jìn)行圖幅分幅、出圖整飾，并進(jìn)行自檢和互檢工作，檢查完成后移交質(zhì)檢部門進(jìn)行過(guò)程檢查和最終檢查。檢查內(nèi)容包括建筑物及其附屬構(gòu)筑物的形狀、尺寸、材質(zhì)等信息是否準(zhǔn)確，是否滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》TD/T1001-2012的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在項(xiàng)目部完成了質(zhì)檢工作后，交由項(xiàng)目委托方進(jìn)行組織驗(yàn)收工作。

3?實(shí)驗(yàn)分析

3.1?測(cè)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于重慶市涪陵區(qū)清溪鎮(zhèn)?？偯娣e約為1.17 km2，地物類型主要包括房屋建筑、道路、樹木、耕地等，研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)以低山丘陵為主，東南高而西北低，海拔多在190～310 m之間。測(cè)區(qū)內(nèi)新舊建筑物交錯(cuò)分布、房屋密集，樓間距較窄，不規(guī)則，大多數(shù)房屋巷道無(wú)法通車，給傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)繪工作帶來(lái)較大的不便。

3.2?試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

試驗(yàn)區(qū)使用HARWAR Mega V8II 八旋翼無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭1.92億像素傾斜相機(jī)，其中下視鏡頭2400萬(wàn)像素和側(cè)視鏡頭單個(gè)為4200萬(wàn)像素，在空中同時(shí)曝光采集5張不同方向的航空影像，航向重疊度和旁向重疊度均為80%。在航線設(shè)計(jì)前已經(jīng)獲取測(cè)區(qū)1∶10000地形圖資料，制作了測(cè)區(qū)DEM地形成果，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)沿著河道地勢(shì)逐步抬升，如圖2所示，因此設(shè)計(jì)飛行航線沿著等高線擬合切線方向飛行，并采用變高飛行模式，保證飛行航高相對(duì)目標(biāo)構(gòu)筑物保持在90m左右的航高進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單個(gè)架次飛行時(shí)長(zhǎng)約為30min，共飛行6個(gè)架次，共采集像片數(shù)6350張，飛行參數(shù)如表1所示，影像分辨率為1.5cm，為保證測(cè)區(qū)最終地籍圖成果滿足大比例尺地籍圖成圖精度要求，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)了66個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)平均點(diǎn)間距約為150m，像控點(diǎn)分布如圖3所示。

將采集的影像通過(guò)預(yù)處理操作導(dǎo)入到Context Capture建模軟件進(jìn)行影像匹配、空三計(jì)算、生成密集點(diǎn)云、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)、紋理映射等步驟，最終生成實(shí)際三維模型和正射影像。生成的實(shí)景三維模型如圖4所示。

將生成的模型導(dǎo)入到三維成圖軟件EPS中，根據(jù)三維實(shí)景模型完成道路、建筑物及其附屬設(shè)置、地貌、水系、獨(dú)立地物、植被等要素的矢量化采集工作，對(duì)模型上看不清的部分通過(guò)外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測(cè)，地籍圖成果執(zhí)行《國(guó)家基本比例尺地形圖圖式 第一部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2007）、《地籍調(diào)查規(guī)程》（TD/T1001-2012）等規(guī)范要求進(jìn)行符號(hào)化、編輯處理和出圖整飾，最終數(shù)字線劃圖如圖5所示。

3.3?精度分析與評(píng)價(jià)

測(cè)繪成果的精度分析與評(píng)價(jià)主要采用外業(yè)使用全站儀實(shí)地測(cè)量特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)和內(nèi)業(yè)圖上采集特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比的方法，主要檢查點(diǎn)包括建筑物、道路、花壇、樓梯等特征較為冥想的構(gòu)筑物。針對(duì)測(cè)區(qū)范圍，共采集了24個(gè)檢查點(diǎn)，均勻分布與整個(gè)測(cè)區(qū)。檢查點(diǎn)的誤差情況和統(tǒng)計(jì)表表2、表3所示。

通過(guò)表2、表3分析可以得出檢查點(diǎn)中誤差為0.17m?；趦A斜攝影測(cè)量大比例尺地籍圖測(cè)繪精度滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》TD/T1001-2012中地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差標(biāo)準(zhǔn)要求，檢查點(diǎn)分布合理，測(cè)繪精度真實(shí)可靠。該評(píng)定結(jié)果表明，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的地籍圖測(cè)量方案可用于大比例尺地籍圖測(cè)繪。

4?結(jié)語(yǔ)

本文采用無(wú)人機(jī)搭載傾斜五鏡頭系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，針對(duì)西部山區(qū)地形地貌起伏特點(diǎn)，合理規(guī)劃航飛區(qū)域并采用變高飛行模型，始終保證無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)航高距離目標(biāo)地物90 m左右相對(duì)航高，結(jié)合地面預(yù)先布設(shè)的像控點(diǎn)，保證了原始影像數(shù)據(jù)及實(shí)景模型成果質(zhì)量。內(nèi)業(yè)人員無(wú)需佩戴立體眼鏡既可以采集三維信息，有效減少了外業(yè)工作量。通過(guò)對(duì)測(cè)量成果精度統(tǒng)計(jì)及分析，可以看到傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地籍圖中的精度可以滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，相比于傳統(tǒng)的測(cè)量方法和技術(shù)流程，本文提供了一種高效率、低成本的測(cè)量技術(shù)方案，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)方案在條件復(fù)雜區(qū)域作業(yè)困難的不足，同時(shí)也為今后傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用在大比例尺地籍圖測(cè)量提供了設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)參考。

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