基于Pix4D 軟件和EPS 軟件生產(chǎn)地形圖的方法對(duì)比探討

盧亞龍

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

大比例尺地形圖作為攝影測(cè)量4D 產(chǎn)品成果之一，有著很廣泛的用途[1]。傳統(tǒng)的生產(chǎn)大比例尺地形圖是利用GPS-RTK 進(jìn)行全野外采集，該方法不但效率低下，且成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，成果質(zhì)量的高低完全取決于采集點(diǎn)的數(shù)量，已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展的需求[2-3]。隨著攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，生產(chǎn)地形圖的方式逐漸采用攝影測(cè)量技術(shù)完成，只需要采集少量的像控點(diǎn)，然后進(jìn)行航攝影像數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，利用少量控制點(diǎn)進(jìn)行平差調(diào)整，得到精度符合要求的模型像對(duì)，最后在立體環(huán)境下進(jìn)行采集，該方法目前也在沿用[4-6]。隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，利用傾斜影像建立實(shí)景三維模型，基于實(shí)景三維模型采集地形圖成為了主流方式之一，但是該方法需要建立實(shí)景三維模型，需要時(shí)間太久，不能滿足時(shí)間緊急項(xiàng)目，且傾斜空三解算，出錯(cuò)率極高，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求高。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文以Pix4D 軟件和EPS 軟件生產(chǎn)大比例尺地形圖為例，講解了基于空三成果的立體環(huán)境采集地形圖和基于DSM+DOM 的裸眼環(huán)境采集地形圖，并對(duì)兩種成果進(jìn)行對(duì)比分析，希望可以為同行人員提供有效參考。

1 基于Pix4D 軟件和EPS 軟件生產(chǎn)地形圖的流程

基于Pix4D 軟件和EPS 軟件生產(chǎn)地形圖的流程主要包括航線規(guī)劃、影像數(shù)據(jù)采集、快速拼接影像、像控點(diǎn)選擇與布設(shè)、外業(yè)像控點(diǎn)采集、空中三角測(cè)量解算、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差、高精度DSM 和DOM 生產(chǎn)、大比例尺地形圖生產(chǎn)、成果整理與提交，具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 Pix4D 軟件和EPS 軟件生產(chǎn)地形圖流程圖

1.1 基于Pix4D 軟件生產(chǎn)空三成果和正射影像

以我公司承接的某一河湖確權(quán)項(xiàng)目為例，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，得到最終的空中三角測(cè)量成果和DSM、DOM成果。

1.1.1 航線規(guī)劃

在地面站軟件中，導(dǎo)入河湖確權(quán)任務(wù)區(qū)范圍線，按照生產(chǎn)1:1000 地形圖成果的要求，在地面站軟件中進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃。這里設(shè)置地面采樣分辨率為0.08 米，航向重疊度65%，旁向重疊度55%，確保航攝過(guò)程中不因姿態(tài)問(wèn)題導(dǎo)致的絕對(duì)漏洞問(wèn)題產(chǎn)生。為了保證任務(wù)區(qū)邊緣成果精度符合要求，且像控點(diǎn)盡量都達(dá)到6 度重疊，在規(guī)劃航線時(shí)，旁向外擴(kuò)兩個(gè)航帶，航向外擴(kuò)3 條基線。

1.1.2 影像數(shù)據(jù)獲取

在規(guī)劃好航線后，在符合航飛條件時(shí)，進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集。首先要進(jìn)行地面試拍，確保相機(jī)可以照常拍照，內(nèi)存卡可以快速將影像保存起來(lái)，檢查POS 能否正常記錄。在航飛過(guò)程中，需要時(shí)刻關(guān)注地面站情況，查看航飛影像成果，檢查影像質(zhì)量，確保成果的完整性和可用性。

1.1.3 影像快拼

利用Pix4D 軟件進(jìn)行影像快拼。在進(jìn)行快拼時(shí)，可以選擇低精度的空三匹配策略，不用生產(chǎn)高精度的DSM，得到一個(gè)低質(zhì)量的正射影像成果即可。影像快拼，一是查看航攝成果的可用性，檢查其成果是否可以順利解算，二是為內(nèi)業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)和外業(yè)像控點(diǎn)采集提供底圖，確保外業(yè)可以合理規(guī)劃路線，快速高效的采集像控點(diǎn)。

1.1.4 像控點(diǎn)內(nèi)業(yè)布設(shè)

在ArcGIS 軟件中，加載快拼影像成果，導(dǎo)入POS 數(shù)據(jù)，讓POS 和影像可以粗略套合。按照1000 精度要求，每隔6-8 條基線布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，然后成對(duì)進(jìn)行布設(shè)。在布設(shè)時(shí)，要通過(guò)查看點(diǎn)位周邊的原始影像，確保點(diǎn)位至少滿足6 度重疊要求，且點(diǎn)位不能位于照片邊緣。點(diǎn)位選擇好后，將單片加載到PhotoShop軟件中，標(biāo)注點(diǎn)位位置和照片名，以便輸出紙質(zhì)照片后，可以快速找到對(duì)應(yīng)的照片。像控點(diǎn)布設(shè)完成后，再在精度薄弱的地方，布設(shè)幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)后期的空三加密成果和DOM 成果精度。最后將像控點(diǎn)、檢測(cè)點(diǎn)圖層和POS、影像進(jìn)行套合輸出，提供給下一環(huán)節(jié)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)工作。

1.1.5 像控點(diǎn)外業(yè)測(cè)量

在拿到像控點(diǎn)布設(shè)路線圖后，根據(jù)上面的點(diǎn)位合理選擇采集坐標(biāo)時(shí)的路線和代步工具。利用GPS-RTK 進(jìn)行野外像控點(diǎn)采集，在采集時(shí)，要求狀態(tài)是固定解，且每個(gè)點(diǎn)位至少采集三次，每次采集的坐標(biāo)成果之間的較差不能大于1cm，超過(guò)則需對(duì)該點(diǎn)位進(jìn)行重新采集。在每天出門(mén)前，都要將某一已知點(diǎn)進(jìn)行采集，確保新建的工程參數(shù)輸入準(zhǔn)確無(wú)誤。

1.1.6 空中三角測(cè)量解算

結(jié)合攝影測(cè)量共線方程，通過(guò)空中三角測(cè)量解算，恢復(fù)地面點(diǎn)、像片、攝影中心之間的關(guān)系，可以得到有約束的空三加密網(wǎng)，該成果主要受POS 的約束，因此其絕對(duì)地理坐標(biāo)不準(zhǔn)確，但是其相對(duì)坐標(biāo)基本上是準(zhǔn)確的。通過(guò)解算，可以得到每張像片的加密點(diǎn)坐標(biāo)，該坐標(biāo)是用來(lái)進(jìn)行定位的。查看空三成果時(shí)，主要看其加密點(diǎn)分布是否均勻，加密點(diǎn)殘差是否小于2/3 個(gè)像元大小，所有影像是否均參與空三解算。通過(guò)查看空三質(zhì)量報(bào)告，該成果可用。

1.1.7 像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差

自由網(wǎng)成果符合要求后，就需要進(jìn)行像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺，通過(guò)轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)和平差，可以獲得大地坐標(biāo)系統(tǒng)下的空中三角測(cè)量成果。本次采集的像控點(diǎn)均為平高點(diǎn)，因此其對(duì)空三的平面和高程都是有約束的。首先轉(zhuǎn)刺一個(gè)像控點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)位轉(zhuǎn)刺兩張后，進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)刺，然后對(duì)點(diǎn)位不合適的進(jìn)行微調(diào)，這樣可以提高像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺速度。在所有像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺完成后，進(jìn)行重新優(yōu)化，使控制點(diǎn)參與優(yōu)化的過(guò)程中，對(duì)自由網(wǎng)空三進(jìn)行平差調(diào)整。優(yōu)化結(jié)束后，查看空三報(bào)告，像控點(diǎn)中誤差為0.053 米，精度符合要求。

將檢測(cè)點(diǎn)按照控制點(diǎn)一樣進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，但是不進(jìn)行平差，通過(guò)導(dǎo)入的坐標(biāo)和空三中提到的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，查看檢測(cè)點(diǎn)的精度也是符合要求的，因此該空三成果精度符合要求，成果可用。

1.1.8 DSM 和DOM 成果生產(chǎn)

本次生產(chǎn)的DSM，主要用來(lái)后續(xù)生產(chǎn)DOM 和大比例尺地形圖中的等高線，因此需要其能夠反應(yīng)真實(shí)的地形起伏，這里設(shè)置采樣間距為0.1 米，DOM 按照1:1000 比例尺要求輸出即可。在得到DOM 成果后，可對(duì)其進(jìn)行查看，對(duì)于鑲嵌錯(cuò)位、亂拼的影像區(qū)域進(jìn)行處理，得到高質(zhì)量的DOM 成果。

1.2 基于EPS 軟件生產(chǎn)地形圖的兩種方法

EPS 軟件是北京清華三維的一款地理信息系統(tǒng)軟件，該軟件可以用于生產(chǎn)大比例尺地形圖。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，該軟件支持以下四種測(cè)圖方式：

（1）基于空三立體模型進(jìn)行地形圖采集。是在空三加密成果的基礎(chǔ)上，利用影像的內(nèi)外方位元素和未畸變影像，將有重疊度的影像，構(gòu)成虛擬的立體像對(duì)，在立體環(huán)境下，對(duì)地物進(jìn)行采集。該方法是基于立體采集，因此需要專(zhuān)業(yè)的設(shè)備來(lái)支撐，即需要專(zhuān)業(yè)的立體顯卡、立體顯示器、立體眼鏡和手輪腳盤(pán)，設(shè)備成本高。對(duì)作業(yè)人員要求高，需要長(zhǎng)期的熟練，才能采集符合要求的成果。由于是基于垂直攝影的立體像對(duì)采集，無(wú)法對(duì)屋檐等進(jìn)行改正，外業(yè)調(diào)繪工作量大，但是基于空三采集，因此工期緊張的項(xiàng)目可采用該方法。

（2）基于OSGB 格式的實(shí)景三維模型成果進(jìn)行采集。是在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行采集，該方法較空三立體模型采集，最明顯的變化就是不需要佩戴眼鏡，所見(jiàn)即所得，即裸眼采集。這種作業(yè)方式對(duì)作業(yè)人員要求不高，只要能夠熟悉圖式，就可以上手采集。該方法是基于模型采集，模型生產(chǎn)需要大量的時(shí)間，因此不適合工期特別緊的項(xiàng)目。目前實(shí)景三維模型多是基于傾斜攝影，因此獲取的地物信息更加豐富，故而外業(yè)調(diào)繪工作量較小。

（3）基于DSM+DOM 的形式進(jìn)行地形圖采集。通過(guò)DSM 和DOM 疊加，可以得到三維模型，其中DSM 提供高程信息，DOM提供平面信息。以這兩種數(shù)據(jù)生產(chǎn)地形圖，目前常見(jiàn)的是兩種方案，一是通過(guò)濾波軟件，處理DSM 成果，從而得到等高線、高程點(diǎn)，然后將DOM 導(dǎo)入CASS 軟件，采集平面成果，最后將等高線和高程點(diǎn)導(dǎo)入CASS，進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，得到地形圖成果。二是通過(guò)疊加，然后基于EPS 等軟件進(jìn)行平面、高程一次性采集。兩種方式數(shù)據(jù)源一樣，生產(chǎn)方式不同而已。

（4）基于機(jī)載LIDAR 或其他方式獲得的LIDAR 點(diǎn)云進(jìn)行地形圖采集?；贚IDAR 采集，主要有機(jī)載LIDAR 和地面LIDAR，機(jī)載LIDAR 從空中垂直地面進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，可以獲取精準(zhǔn)的高程數(shù)據(jù)，結(jié)合搭載的相機(jī)，獲取任務(wù)區(qū)影像數(shù)據(jù)，然后通過(guò)影像數(shù)據(jù)解算，將影像色彩賦值給點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣，就可以獲取彩色的點(diǎn)云成果，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云渲染，可以準(zhǔn)確的對(duì)地物進(jìn)行采集。地面LIDAR 原理基本上同機(jī)載LIDAR，只是依賴的平臺(tái)不同而已。這種方式獲取的高程精度高，適合大面積DEM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)，作業(yè)難度也較低。

1.2.1 基于空三成果的地形圖生產(chǎn)

將Pix4D 軟件生產(chǎn)的空三成果引入自主研發(fā)的空三成果格式轉(zhuǎn)換軟件中，轉(zhuǎn)為EPS 軟件中可以支持的Patb 格式。然后打開(kāi)EPS，新建工程，選擇1:1000 模板數(shù)據(jù)庫(kù)，在EPS 軟件中的立體模塊下，對(duì)轉(zhuǎn)換后的Patb 格式成果進(jìn)行恢復(fù)，設(shè)置立體環(huán)境，在立體環(huán)境下，按照1:1000 地形圖采集規(guī)范要求，進(jìn)行地形圖成果的采集。

1.2.2 基于DSM+DOM 的地形圖生產(chǎn)

DSM 主要用來(lái)提供高程信息，DOM 主要用來(lái)提供紋理信息，將二者疊加得到“DSM”成果，該成果不但包含了高程信息，也包括了紋理信息，從而可以實(shí)現(xiàn)裸眼采集。在采集過(guò)程中，平面地物，如道路、河流等，可在左側(cè)窗口的正射影像上直接采集；高程點(diǎn)、等高線可借助DSM 成果數(shù)據(jù)采集。其中等高線也利用EPS 的淹沒(méi)功能進(jìn)行淹沒(méi)采集，這樣可以提高采集效率。

2 兩種方式生產(chǎn)地形圖對(duì)比分析

在采集像控點(diǎn)點(diǎn)位時(shí)，除采集內(nèi)業(yè)布設(shè)的像控點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)，還額外采集了12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，這12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)均勻分布于任務(wù)區(qū)內(nèi)，主要是用來(lái)對(duì)生產(chǎn)的地形圖精度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩種方式生產(chǎn)的地形圖精度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表1 中的DS 表示檢測(cè)點(diǎn)平面殘差，DH 表示高程殘差。通過(guò)表1 可以看出，兩種方式生產(chǎn)的地形圖，平面精度整體上都比高程的精度高，基于立體像對(duì)模型生產(chǎn)的地形圖精度要比DSM+DOM 方式生產(chǎn)的成果精度高。兩種方式生產(chǎn)的地形圖，12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，平面殘差最大為0.199 米，高程殘差最大為0.225 米?；诹Ⅲw像對(duì)模型生產(chǎn)的地形圖，12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面中誤差為0.140 米，高程中誤差為0.156 米；基于DSM+DOM 模型生產(chǎn)的地形圖，12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面中誤差為0.156 米，高程中誤差為0.173 米。兩種方式生產(chǎn)的地形圖成果均滿足1:1000 成圖要求。

結(jié)合采集過(guò)程中的一些事項(xiàng)，對(duì)兩種作業(yè)方式進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種方式生產(chǎn)地形圖分析對(duì)照表

3 結(jié)論

本文主要講解了Pix4D 軟件進(jìn)行空三加密和制作正射影像的流程，并以EPS 軟件生產(chǎn)地形圖為例，講了兩種方式生產(chǎn)地形圖的流程和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，希望可以為生產(chǎn)大比例尺地形圖的同行從業(yè)人員提供有效參考。