傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市地形測(cè)繪中的應(yīng)用

李金源 羅怡靜 雷良焰 賀宇晴

（西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）

1 傾斜攝影測(cè)量原理

航測(cè)中傾斜攝影測(cè)量技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限。其原理是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜共五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界?；驹頌椋河跋窦m正——獲取特征點(diǎn)——三維建模——物體測(cè)量。作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1

傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)本質(zhì)上來看是網(wǎng)格面模型，它是點(diǎn)云通過一些算法構(gòu)成的。內(nèi)業(yè)軟件基于幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程，可計(jì)算出基于影像的超高密度點(diǎn)云。點(diǎn)云再構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型最后經(jīng)過紋理映射構(gòu)建出真實(shí)三維模型。

2 傾斜攝影測(cè)量相比于傳統(tǒng)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)測(cè)量的工作內(nèi)容包含控制測(cè)量、外業(yè)采集碎部點(diǎn)、內(nèi)業(yè)成圖、外業(yè)調(diào)繪等。無人機(jī)航測(cè)的工作內(nèi)容為像控點(diǎn)的布設(shè)、外業(yè)航飛及影像處理、三維建模、內(nèi)業(yè)編輯以及外業(yè)調(diào)繪。以20 平方公里測(cè)區(qū)為例（成圖比例尺1：2000）來具體比較兩者間的差異可得出后者的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 受環(huán)境因素影響小，響應(yīng)準(zhǔn)確快速

傳統(tǒng)測(cè)量需要2 個(gè)內(nèi)業(yè)作業(yè)員以及16 個(gè)外業(yè)作業(yè)員共八組，且作業(yè)過程受到天氣、信號(hào)以及地面情況的影響。傾斜攝影測(cè)量需要內(nèi)業(yè)10 個(gè)外業(yè)作業(yè)員，8 個(gè)內(nèi)業(yè)作業(yè)員共四組?？梢钥吹絻A斜攝影測(cè)量的外業(yè)工作量小于傳統(tǒng)測(cè)量，且在操控和運(yùn)輸?shù)倪^程中不受設(shè)備負(fù)擔(dān)的影響，能攜帶不同的相機(jī)滿足高效獲取圖形的需求。[1]在低空飛行中，傾斜攝影測(cè)量對(duì)起降場(chǎng)地的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為對(duì)起降場(chǎng)地的要求不多，且在低空飛行中基本不會(huì)受到氣候的影響（除少數(shù)極端惡劣天氣）。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)低空空域的工作申請(qǐng)可行性較高，且準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單，升空20 分鐘后即可進(jìn)行工作，工作過程中可以根據(jù)具體的工作要求靈活而及時(shí)的進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)可快速響應(yīng)做出移動(dòng)。相比之下傳統(tǒng)測(cè)量非常依靠協(xié)調(diào)工作，不能滿足及時(shí)做出響應(yīng)的需求。

2.2 性價(jià)比突出，獲取資料成本低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作靈活

傳統(tǒng)測(cè)量需要63 天（1134 工天），外業(yè)人員測(cè)圖，內(nèi)業(yè)人員繪圖每小組0.04 平方公里/天。而航測(cè)僅需12 天（98工天），具體為航飛加上布設(shè)四角控制點(diǎn)需要0.5 天，空三加密需要1 天（大約1000 張影像），DLG 采集需要6 天（每人0.33 平方公里/天），外業(yè)調(diào)繪需要4.2 天（每個(gè)小組1.2平方公里/天）。前者（硬件成本1 萬，軟件成本0.5 萬，人工成本56 萬），而后者總成本僅為13.9 萬（硬件5 萬，軟件4 萬，人工成本4.9 萬），拋開時(shí)間成本不談，僅財(cái)力方面的消耗就節(jié)省了52%。[2]

除此之外，傾斜攝影測(cè)量方式完美融合了分層顯示及紋理映射兩項(xiàng)技術(shù)，為數(shù)據(jù)獲取及后期建模奠定基礎(chǔ)。對(duì)于技術(shù)上的追求也不可以拘泥應(yīng)將更多的高新技術(shù)與之合理、有效的結(jié)合,發(fā)揮出更加強(qiáng)大的作用。如無人機(jī)與紅外線遙感、多光譜遙感、雷達(dá)測(cè)繪等多種遙感測(cè)繪技術(shù)的完美結(jié)合,一定會(huì)更好地拓展傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,為測(cè)量技術(shù)開創(chuàng)一個(gè)全新的時(shí)代。

3 無人機(jī)航空測(cè)量在城市地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的測(cè)量一般是通過采取地形地物頂部的方式來獲取高程信息以及地貌信息，這種方式對(duì)具有明顯輪廓的地形地物具有較好的測(cè)量結(jié)果。但傳統(tǒng)攝影測(cè)量無法獲取目標(biāo)垂直方向的紋理信息，對(duì)于不規(guī)整的地物難以獲取立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，同時(shí)也存在著一定的限制（例如飄樓）。而隨著相關(guān)理論技術(shù)的發(fā)展，航空攝影測(cè)量從原本的垂直相機(jī)工作轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)搭載多個(gè)傾斜相機(jī)的組合，好處之一是能夠直接獲取側(cè)面紋理，直接降低成本。

3.1 城市管理及竣工驗(yàn)收

三維模型的優(yōu)點(diǎn)是可以真實(shí)地還原地物原本面貌，比如對(duì)于違章建筑物的排查、危險(xiǎn)地形三維形變檢測(cè)等。[3]采用傳統(tǒng)的人工調(diào)查、人工測(cè)量的方式耗時(shí)耗力，傾斜攝影測(cè)量的三維重建技術(shù)在效率上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的人工手段，便于城市管理人員及時(shí)了解城市地貌地物等的變化情況，并及時(shí)制定相應(yīng)的舉措。同樣對(duì)于建設(shè)中的竣工階段，傳統(tǒng)手段提交的多為平面圖或者文檔等二維資料。對(duì)于不規(guī)則的建筑物無法有效核實(shí)，通過傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的三維模型能有效的彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，減少竣工驗(yàn)收的工作量。

3.2 傾斜攝影測(cè)量與BIM 模型融合

傾斜攝影三維建模軟件(Skyline PhotoMesh)是基于傾斜攝影技術(shù)和圖形運(yùn)算單元GPU 技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)批量建模的應(yīng)用軟件，通過對(duì)多視角傾斜影像、真實(shí)街景數(shù)據(jù)、正射影像等不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)分析與提取、多視匹配融合、自動(dòng)紋理匹配和貼合等操作，在無需人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)批量處理原始影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建出全要素的、精細(xì)的、帶有紋理的真實(shí)三維模型。[4]Skyline PhotoMesh 軟件具有圖形處理性能高、模型精度高、交互性強(qiáng)、支持多源數(shù)據(jù)和多元輸出等特點(diǎn)，利用Skyline PhotoMesh 軟件建模與傳統(tǒng)建模方法相比，減少了人工成本和建模時(shí)間，提高了模型精度和建模效率。

基于Skyline 軟件對(duì)BIM 模型和傾斜攝影測(cè)量的模型進(jìn)行融合，利用Skyline 可以將BIM 模型、手工模型、真彩色模型等轉(zhuǎn)換到三維立體數(shù)據(jù)庫，然后利用Spatial Framework Services 進(jìn)行發(fā)布，輔助不同領(lǐng)域進(jìn)行施工決策。將兩種模型融合到一起既保留了建筑的固有信息，又增加了外部真實(shí)的紋理信息。[5]實(shí)現(xiàn)了BIM 設(shè)計(jì)模型的一體化與可視化，對(duì)項(xiàng)目的施工方案設(shè)計(jì)、完成進(jìn)度展示以及工程造價(jià)等方面都具有較好的輔助作用。[6]

3.3 相片控制

使用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)手段能有效推進(jìn)城市地形圖測(cè)繪工作穩(wěn)步有效的行進(jìn)。對(duì)于測(cè)繪人員而言它一是可以幫助測(cè)繪人員全面立體掌握城市地形圖的信息，二是能夠?yàn)槿蚨ㄎ幌到y(tǒng)提供一定量上的信息補(bǔ)充。通過把地面測(cè)繪得到的信息與無人機(jī)航空攝影所拍攝到的信息進(jìn)行交換整合有利于提高工作人員航空攝影測(cè)量的準(zhǔn)確度。與此同時(shí)也可以通過優(yōu)化布置點(diǎn)位以及放置特殊控制點(diǎn)的手段結(jié)合全球定位系統(tǒng)，有效提升航測(cè)的可操作空間，此舉可以極大程度上減少外部因素對(duì)于航空攝影測(cè)量的影響從而使準(zhǔn)確度得到保障。[7]

4 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展為我國(guó)無人機(jī)測(cè)量技術(shù)的推廣以及升級(jí)提供了保障。輕松的數(shù)據(jù)采集，高度的建模自動(dòng)化同時(shí)減少人工干預(yù)，相比于傳統(tǒng)測(cè)量，無人機(jī)航空測(cè)量技術(shù)由于其靈活性強(qiáng)、適用范圍廣等特點(diǎn)，在城市地形的測(cè)繪中發(fā)揮了重要的作用。[8]新的測(cè)量技術(shù)必然會(huì)催生新的應(yīng)用模式，未來傾斜攝影測(cè)量技術(shù)必然會(huì)成為測(cè)繪的主要方式之一。