基于垂直攝影生產(chǎn)大比例尺地形圖的兩種方式對比分析

王國仁

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊,寧夏 銀川750000)

隨著測繪技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機(jī)攝影測量在逐步取代傳統(tǒng)測繪,成為目前主流生產(chǎn)4D 產(chǎn)品的作業(yè)方式[1]。隨著河湖確權(quán)項(xiàng)目的開展,大量的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)迫在眉睫。傳統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)字線劃圖都是基于外業(yè)實(shí)測,效率低、成本高、周期長[2]。目前生產(chǎn)數(shù)字線劃圖主要是基于立體像對進(jìn)行,然而對于無人機(jī)數(shù)據(jù)而言,由于其像幅小,視差大,采集效率也不高,立體采集對作業(yè)人員要求高[3]。隨著傾斜攝影的出現(xiàn),傳統(tǒng)的立體采集慢慢的被實(shí)景三維模型裸眼采集所取代,但是三維模型建模效率低,對電腦配置需求高,也有一定的局限性。針對存在的問題,出現(xiàn)了基于垂直攝影的DOM 和DEM 疊加采集的作業(yè)方案,DOM提供平面位置坐標(biāo),DEM提供高程信息,從而得到數(shù)字線劃圖所需要采集的要素[4]。本文采用PIX4D 軟件對帶狀垂直攝影采集的影像進(jìn)行空三加密解算和正射影像生產(chǎn),然后利用航天遠(yuǎn)景軟件進(jìn)行立體、裸眼采集,并對兩種采集方式在硬件配置、工程恢復(fù)、易用性、效率和精度方面進(jìn)行對比,對后續(xù)生產(chǎn)大比例尺地形圖的同行具有一定的借鑒意義。

1 垂直攝影簡介

1.1 垂直攝影原理介紹

垂直攝影是指在無人機(jī)飛行平臺上搭載下視鏡頭,完成對地面物體影像的采集。

1.2 垂直攝影生產(chǎn)地形圖的作業(yè)流程

主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差、DEM生產(chǎn)、DOM 生產(chǎn)、DEM+DOM 建模,地形圖采集和精度檢測,具體見圖1。

圖1 垂直攝影生產(chǎn)地形圖流程圖

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)源簡介

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于河湖確權(quán)項(xiàng)目,測區(qū)高差約300 米,呈帶狀走勢,河湖兩側(cè)樹木較多,但坡度基本上一直。在作業(yè)時,采用固定翼搭載2400w 像素非量測相機(jī)進(jìn)行航攝,相機(jī)焦距35mm,采集影像地面分辨率為0.08 米,測區(qū)長約30 公里,布設(shè)像控點(diǎn)89 個,針針對實(shí)驗(yàn)部分,布設(shè)25 個檢測點(diǎn),對后續(xù)兩種作業(yè)方式生產(chǎn)的地形圖精度進(jìn)行檢測。

2.2 軟件介紹

2.2.1 PIX4D 軟件。PIX4D 是一款無人機(jī)攝影測量處理軟件,可以通過空三加密解算,將航拍影像轉(zhuǎn)換為2D 和3D 成果,具有操作簡單、自動化程度高等特點(diǎn)。本次數(shù)據(jù)生產(chǎn),使用該軟件獲得了高精度的空三加密成果和DSM、DOM成果。

2.2.2 MapMatrix 軟件。MapMatrix 系統(tǒng)是基于航空、衛(wèi)星遙感、外業(yè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行多源空間信息綜合處理的平臺。主要具有全/半自動影像內(nèi)定向,相對定向和絕對定向功能,強(qiáng)大的矢量采集和編輯功能。在本次測試中,主要基于空三加密成果完成地形圖的采集。

2.2.3 MapMatrix3D 軟件。MapMatrix3D 圖陣三維智能測圖系統(tǒng)是基于傾斜建模數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備對OSGB 三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、高精度智能測圖等技術(shù)特點(diǎn)。該系統(tǒng)具備作業(yè)過程自動化、采編入庫一體化、數(shù)據(jù)處理海量化等優(yōu)勢,可廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、城市規(guī)劃、國土資源、軍事測量、公路、鐵路、水利、電力、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。在本次測試中,主要基于DOM 和DEM 建模,然后進(jìn)行地形圖的采集。

2.3 兩種測圖方式對比

主要對硬件配置需求、工程恢復(fù)、易用性、效率和精度進(jìn)行對比分析,并得出兩種測圖方式在各方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.3.1 硬件配置需求對比

兩款軟件對電腦配置需求見表1。

表1 兩款軟件對電腦配置需求表

通過表1 可以明顯看到,傳統(tǒng)立體采集對電腦的配置需求遠(yuǎn)高于目前主流的裸眼采集,在兩種作業(yè)方式生產(chǎn)的成果滿足規(guī)范的前提下,就硬件配置方面來說,采用裸眼采集支出的費(fèi)用更少,更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2.3.2 工程恢復(fù)對比

MapMatrix 軟件在對空三成果進(jìn)行恢復(fù)的過程中,主要涉及到工程的創(chuàng)建、影像加載、相機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、內(nèi)定向、創(chuàng)建立體模型、相對定向、絕對定向、采集核線、數(shù)字化測圖和DLG 成果輸出。MapMatrix3D 軟件在恢復(fù)工程的時候,主要包括工程創(chuàng)建、模型定向、DEM+DOM建模、數(shù)字化測圖和DLG 成果輸出。通過工程恢復(fù)對比可以看出,基于立體像對測圖,工程恢復(fù)復(fù)雜,且極易出現(xiàn)問題,而基于模型測圖,工程恢復(fù)簡單,不易出現(xiàn)問題。

2.3.3 易用性對比

MapMatrix 是基于立體虛擬像對進(jìn)行地形圖采集,對操作人員業(yè)務(wù)技能要求很高。對于未接觸過的人員來說,學(xué)習(xí)周期長、需要掌握并能生產(chǎn)符合要求的成果,基本上需要3 個月以上的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。MapMatrix3D 是基于裸眼立體采集,這種方式更符合人眼對地物的認(rèn)知,對于多數(shù)作業(yè)人員來說,有CASS 操作基礎(chǔ),可以很容易掌握該款軟件。由于是裸眼采集,不需要調(diào)節(jié)高程進(jìn)行地面高程采集,操作更加方便。

2.3.4 效率對比

效率對比主要從采集環(huán)節(jié)和整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行對比。

采集環(huán)節(jié),是單指恢復(fù)工程后,對地形圖進(jìn)行采集。

整個環(huán)節(jié),是指數(shù)據(jù)生產(chǎn)、恢復(fù)工程、完成采集任務(wù)整個過程。對于立體像對采集來說,包括空三加密解算、測圖工程恢復(fù)和地形圖采集三個環(huán)節(jié)的時間；對于裸眼測圖來說,包括空三加密解算、DEM和DOM生產(chǎn)、測圖工程恢復(fù)和地形圖采集四個環(huán)節(jié)的時間。

由于測試具有不確定性,為了得到的數(shù)據(jù)更加可靠,本次測試安排5 個作業(yè)人員,分別用兩種方式對同一范圍的地形圖進(jìn)行采集,并對所用時間進(jìn)行統(tǒng)計,統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 不同采集作業(yè)方式下不同作業(yè)員各環(huán)節(jié)效率統(tǒng)計表

2.3.5 精度對比

利用25 個檢測點(diǎn),采用同精度檢測的方式,對5 個作業(yè)人員采用兩種方式生產(chǎn)的地形圖精度進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果如下:采用立體像對測圖,5 個作業(yè)員人員采集的地形圖平面位置中誤差分別為:0.354 米、0.367 米、0.385 米、0.346 米、0.356 米,高程位置中誤差分別為0.451 米、0.502 米、0.489 米、0.458 米、0.512 米,采用裸眼測圖,5 個作業(yè)員人員采集的地形圖平面位置中誤差分別為:0.364 米、0.379 米、0.405 米、0.365 米、0.365米,高程位置中誤差分別為0.424 米、0.485 米、0.466 米、0.423米、0.494 米。通過對檢測結(jié)果分析可知:立體像對測圖平面精度要比裸眼測圖精度高,但是高程精度略比裸眼測圖精度差。結(jié)合1:1000 地形圖生產(chǎn)規(guī)范要求可知,兩種作業(yè)方式生產(chǎn)的地形圖成果均滿足規(guī)范要求,可采用兩種方式生產(chǎn)1000 比例尺的數(shù)字線劃圖,也可結(jié)合兩種測圖方式的各自優(yōu)勢,獲得更高精度的數(shù)字線劃圖成果。

2.3.6 對比匯總

對以上多方面對比結(jié)果匯總,匯總結(jié)果見表3。

表3 各項(xiàng)對比內(nèi)容匯總表

3 結(jié)論

本文通過對兩種測圖方式在多方面的對比分析,得出兩種測圖方式的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)其各自的優(yōu)缺點(diǎn),可以更加有效地提高地形圖的成果精度,且提高生產(chǎn)效率。對以后采用相同方式生產(chǎn)數(shù)據(jù)的作業(yè)人員具有一定的借鑒意義。