無人機(jī)傾斜攝影測量在帶狀地形圖測繪的應(yīng)用分析

李傳鋒 丁志廣 梁新權(quán)

江門市勘測院有限公司 廣東 江門 529000

引言

傳統(tǒng)的大比例帶狀地形圖測繪的主要方法有全站儀測量、GPS RTK測量以及傳統(tǒng)的航空攝影測量等。全站儀及GPS RTK數(shù)字測圖需要投入較多人力、物力，在地形復(fù)雜、植被茂密、建筑密集地區(qū)難以施測，且測量周期長，進(jìn)而導(dǎo)致工程效率低、成本高。傳統(tǒng)航空攝影測量雖然技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但對天氣和機(jī)場條件的依賴性大、成本較高、攝影周期較長。[1]隨著城市的更新發(fā)展速度的加快，采用傳統(tǒng)的全野外和航測法進(jìn)行大比例尺地形圖更新與修測需要投入大量的人力、物力，成本高，作業(yè)周期長，更新效率低，已很難適應(yīng)城市快速變化對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新的需求。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過在同一無人飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集地面影像，獲取地面物體更完整準(zhǔn)確的正片和斜片信息。無人機(jī)傾斜攝影獲取的傾斜影像經(jīng)過影像加工處理，通過專用測繪軟件進(jìn)行幾何校正、連接點(diǎn)匹配、構(gòu)建自由網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)平差等空中三角測量處理流程，可生成超高密度點(diǎn)云，通過高密度點(diǎn)云生成三角網(wǎng)，構(gòu)建白模，自動映射紋理，得到傾斜攝影三維模型。[2]

本文通過在帶狀地形圖測繪項目中引入無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，實現(xiàn)了快速高效制圖，提高了作業(yè)的效率同時保證了成果的質(zhì)量。

1 項目概況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取平臺

本工程項目位于江門大道北鶴山連接線處，全長約3.8公里，沿途地形主要為快速路、高架橋以及山地、農(nóng)田以及部分的居民地(見圖1)。由于測區(qū)范圍內(nèi)的城市快速路已建成通車，如采用傳統(tǒng)的全站儀聯(lián)合GPS RTK進(jìn)行全野外數(shù)字化測圖，外業(yè)的施測難度大，同時也十分危險，不利于安全生產(chǎn)。本項目采用無人機(jī)進(jìn)行大部分外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)字測圖技術(shù)相融合，構(gòu)建地空協(xié)同觀測的地形圖測繪作業(yè)模式，提高生產(chǎn)的效率同時保證作業(yè)的安全[5]。

圖1 測區(qū)范圍

2 無人機(jī)傾斜攝影測量與傳統(tǒng)數(shù)字測圖技術(shù)融合的作業(yè)流程

2.1 航線的設(shè)計

根據(jù)無人機(jī)的作業(yè)能力和路線走向進(jìn)行航線設(shè)計，根據(jù)劃定測區(qū)，本次作業(yè)共設(shè)計飛行3個架次，每個架次根據(jù)測區(qū)寬度設(shè)計6條航線。在每個架次飛完后及時檢查影像拍攝質(zhì)量。本項目航線設(shè)計如圖3所示:

圖2 無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取平臺

圖3 無人機(jī)航線示意圖

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)及測量

本項目像控點(diǎn)位置主要選在影像清晰的水泥、瀝青路面或橋面上，沿測區(qū)走向垂直方向成對均勻布設(shè)了6個像控點(diǎn)，編號為:XK001～XK006。同時選取了部分地物的特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)的檢查點(diǎn)，利用GPS RTK分別進(jìn)行像控點(diǎn)及地物特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。

2.3 無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)本項目作業(yè)區(qū)域的范圍、航攝分辨率要求、相機(jī)參數(shù)確定飛行比例尺、飛行高度、飛行重疊率、攝影基線等參數(shù)。本項目使用國產(chǎn)無人機(jī)平臺搭載穩(wěn)定性較好的5鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行傾斜航空攝影，航攝具體參數(shù)如表1所示。

表1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)及航攝參數(shù)

2.4 利用全站儀及GPS RTK進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)測

由于本項目工程有多處高架橋墩以及快速路下的涵洞，同時測區(qū)沿線有多處的山地植被及樹木比較茂密，對于無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的精度有一定的影響。故對于測區(qū)范圍內(nèi)，無人機(jī)傾斜攝影無法準(zhǔn)確采集的數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)的數(shù)字測圖方法進(jìn)行外業(yè)的數(shù)據(jù)的補(bǔ)充采集。

2.5 傾斜攝影測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

本項目首先采用無人機(jī)管家對原始影像進(jìn)行畸變矯正和POS數(shù)據(jù)高精度融合解算，然后采用專業(yè)的內(nèi)業(yè)處理軟件Context Capture Center對獲取傾斜影像進(jìn)行三維建模處理，通過GPS定位系統(tǒng)和姿態(tài)定位系統(tǒng)獲取的位置信息進(jìn)行影像的坐標(biāo)定位，添加像控點(diǎn)來提高數(shù)據(jù)的精度。處理流程包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、點(diǎn)云建模3大步驟。最終生成三維模型文件(格式為:*.osgb)，同時生成數(shù)字正射影像圖(DOM)，再利用CASS3D軟件加載實景三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二三維聯(lián)動一體化地形測繪。

2.6 帶狀地形圖二、三維聯(lián)動一體化地形測繪數(shù)據(jù)處理流程

2.6.1 帶狀地形圖平面數(shù)據(jù)的采集 南方CASS軟件作為一款內(nèi)外業(yè)一體化測圖系統(tǒng)，其主要包括數(shù)據(jù)處理、地形地物編輯、地籍處理、土地利用、工程測量及質(zhì)檢模塊等功能。CASS3D測圖系統(tǒng)是在原有CASS測圖軟件基礎(chǔ)上，以插件擴(kuò)展的形式，重點(diǎn)增加了三維裸眼測圖、高清影像、三維模型加載以及二三維同步功能。[3]

通過CASS3D加載測區(qū)的三維模型，點(diǎn)擊“同步矢量”即可將數(shù)字線劃圖(DLG)與三維模型同步顯示，同時通過CASS3D中“插入影像”的功能可將測區(qū)的正射影像與地形圖數(shù)據(jù)疊加，即可進(jìn)行地形圖平面數(shù)據(jù)的采集，對于局部不清晰的地方，可通過旋轉(zhuǎn)三維模型查看地物的相關(guān)情況，通過三維模型窗口繪制的地形要素，可以同步保存顯示在二維窗口的數(shù)字線劃圖中，真正實現(xiàn)二三維聯(lián)動制圖。

全站儀及GPS RTK的外業(yè)采集數(shù)據(jù)可同步展繪到地形圖上，同時結(jié)合正射影像及三維模型，可實現(xiàn)數(shù)字線劃圖(DLG)的快速制圖。

圖4 二三維聯(lián)動制圖

2.6.2 帶狀地形圖高程數(shù)據(jù)的采集 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后生成的三維模型具有高程數(shù)據(jù)，對于無遮擋的地物可以直接在三維模型上點(diǎn)選位置，即可生成對應(yīng)的高程點(diǎn)。同時對于山地，可以通過三維模型加密高程點(diǎn)，用于構(gòu)建三角網(wǎng)，生成等高線。

2.6.3 地形圖的整飾及成圖編輯 將獲取的地形地貌要素進(jìn)行綜合、整飾等處理，如對道路路名、道路材質(zhì)的注記、居民地名稱注記、測區(qū)山地等高線的修剪與高程注記、刪除重復(fù)實體等，最終得到滿足要求的地形圖成果。

3 基于南方CASS3D成圖的帶狀地形圖精度分析

地形圖的成果精度參照《1:500 1:1000 1:2000外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》(GBT 14912－2017)和《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1:500 1:1000 1:2000數(shù)字線劃圖》(CH/T 9008.1－2010)的要求，1:500平面位置精度為0.3m(城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地、丘陵地，坡度＜6。)，高程注記點(diǎn)高程中誤差為0.4m(丘陵地，2°≤坡度＜6°)。

為了驗證CASS3D成圖方案的精度，通過三維模型提取了30個地形特征點(diǎn)和有代表性的高程點(diǎn)，并通過傳統(tǒng)的數(shù)字測圖方法進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行對比計算得到檢核點(diǎn)的平面中誤差為0.074m(詳見表1)，高程中誤差為0.11m(詳見表2)，完全滿足限差要求。

表2 平面精度對比分析

表3 高程注記精度對比分析

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，基于CASS3D成圖的無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)模型，在成像清晰的快速路及無遮擋的平地平面和高程精度相對較高，在植被及樹木比較茂密的山地(采集無遮擋處)，高程精度相較差，高程點(diǎn)檢核數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一個高程注記的粗差，原因是該出植被較為茂密，無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)得高程數(shù)據(jù)為植被上的數(shù)據(jù)，并不是實地真實的高程值?？傮w來說，本次通過無人機(jī)傾斜攝影測量獲取的帶狀地形圖數(shù)據(jù)符合規(guī)范的要求，成果質(zhì)量是真實可靠的。

4 結(jié)束語

本文通過具體的實踐項目分析表明，將無人機(jī)傾斜攝影測量與傳統(tǒng)的數(shù)字測圖技術(shù)有機(jī)融合，大大提高了帶狀地形圖的作業(yè)效率，地空協(xié)同的作業(yè)方法構(gòu)建了一種新型地形圖更新模式，有效改善了傳統(tǒng)地形圖測繪人工投入大、作業(yè)周期長、更新效率低等弊端。無人機(jī)傾斜攝影測量通過建立實景三維模型和正射影像數(shù)據(jù)將地形圖的數(shù)據(jù)采集通過數(shù)據(jù)處理軟件來完成。項目采用CASS3D軟件成功完成了帶狀地形圖的數(shù)據(jù)采集及地形圖成圖，同時該成果的精度符合生產(chǎn)的要求，表明這種地空一體化的地形圖更新模式是有效的。往后數(shù)據(jù)采集技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理軟件將更成熟完善，降低人工處理數(shù)據(jù)的工作量，城市基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)的更新必走向更加高效、智能化的道路。