新型測繪技術(shù)在大比例尺測圖中的應(yīng)用

趙海強(qiáng)，陳小燕

（1.廣東省國土資源技術(shù)中心，廣東 廣州 511300；2.廣州市增城區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃與測繪地理信息研究院，廣東 廣州 511300）

《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要（2015-2030 年）》和《測繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃》指出，新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)已成為新時(shí)代基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級的必由之路，而大比例尺地形測圖則是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)測繪工作[1]。傳統(tǒng)的大比例尺地形測圖存在工作量大、數(shù)據(jù)更新速度慢、作業(yè)效率較低等不足，難以滿足測繪工程項(xiàng)目對整體性和時(shí)效性的需求[2-4]。隨著新型測繪技術(shù)的發(fā)展，大比例尺測圖技術(shù)也得到較大提升?；跓o人機(jī)的攝影測量技術(shù)能較大提升測圖的工作效率，但其還是依靠傳統(tǒng)立體測圖，主要用于1∶2 000比例尺地形測圖，對于1∶500大比例尺，成果精度難以控制，尤其是高程精度方面誤差往往較大。因此，需要采用全野外測圖的方式進(jìn)行高程補(bǔ)測，增加了大量外業(yè)工作。傾斜攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)是新型測繪技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，顛覆了傳統(tǒng)測量的局限[5-7]。基于無人機(jī)的傾斜攝影測量技術(shù)是學(xué)者、生產(chǎn)單位研究的主要熱點(diǎn)，通過同一飛行器搭載多視角傳感器，同時(shí)獲取垂直和4個(gè)傾斜方向等5個(gè)不同角度的影像數(shù)據(jù)，能快速還原建筑實(shí)景原型，并記錄建筑位置、紋理、關(guān)系等信息，生成建筑實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、TIN、DEM、DOM等數(shù)字測繪產(chǎn)品[8-10]。該技術(shù)具有快速獲取數(shù)據(jù)、裸眼三維測圖、成果類型豐富等優(yōu)點(diǎn)[11]。

本文主要研究基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的1∶500大比例尺測圖方法，探討了從外業(yè)采集到內(nèi)業(yè)成圖的關(guān)鍵技術(shù)流程和技術(shù)要點(diǎn)；并以廣州市增城區(qū)某村為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從平面和高程精度兩個(gè)方面分析了該方法的技術(shù)可行性。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 技術(shù)流程

基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的1∶500大比例尺測圖方法的主要技術(shù)流程為外業(yè)飛行姿態(tài)控制、高精度像控點(diǎn)布設(shè)與測量、空三加密和測圖。具體技術(shù)流程包括現(xiàn)有資料搜集整理、制定航飛方案、像控點(diǎn)布設(shè)與測量、影像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三解算、三維建模、DLG采集、調(diào)繪補(bǔ)測、成果質(zhì)檢和最終成果提交，如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)研究

1）嚴(yán)格的像控點(diǎn)布設(shè)與測量。受限于飛行器采集質(zhì)量、環(huán)境影響等復(fù)雜因素，對于傾斜項(xiàng)目，要滿足高精度測量要求，像控點(diǎn)的設(shè)計(jì)和布點(diǎn)方案一般都會高于規(guī)范要求，布設(shè)方案在此不再贅述。為保證精度，經(jīng)過實(shí)際測量對比，本文采用GPS靜態(tài)測量與RTK測量相結(jié)合的方式布設(shè)分布均勻的像控點(diǎn)，采用GPS靜態(tài)測量的方式與當(dāng)?shù)馗叩燃壙刂泣c(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，高程采用水準(zhǔn)測量。

2）采用具有精確矯正的RTK飛行設(shè)備。RTK測量技術(shù)具備快速高精度定位功能，可實(shí)時(shí)獲得測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，定位頻率高；但無人機(jī)飛行速度快，RTK實(shí)時(shí)定位技術(shù)可能存在因飛行偏差導(dǎo)致的相位移動，無法與實(shí)際飛行姿態(tài)匹配，使得外方位元素不準(zhǔn)確。因此，需采用經(jīng)過精確調(diào)校的RTK裝備，并控制飛行速度，從而提高外方位參數(shù)精度。

3）多視空三和傾斜影像密集匹配?？杖用苁呛罄m(xù)生產(chǎn)高精度三維模型的關(guān)鍵步驟。傾斜采集的影像絕大部分為側(cè)視拍照，地物尤其是建筑變形大、遮擋嚴(yán)重。首先采用基于計(jì)算機(jī)視覺的SIFT算法進(jìn)行匹配運(yùn)算；再通過高精度控制點(diǎn)和相片定位數(shù)據(jù)進(jìn)行附加約束區(qū)域網(wǎng)平差，實(shí)現(xiàn)直接定向解算，得到平差后的外方位元素；最后進(jìn)行密集匹配，獲取點(diǎn)云。

4）具有輔助測圖功能的三維測圖軟件。目前市面上有多種基于三維傾斜模型的測圖軟件，均具備裸眼直接測圖功能，但筆者未對各種軟件的測圖成果精度進(jìn)行測試比較，此處不多贅述。筆者采用其中一種測圖軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測圖軟件具備輔助線功能是測圖的關(guān)鍵。

2 實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于廣州市東部地區(qū)某村，地勢平坦，劃定測區(qū)面積約為1.5 km2。測區(qū)內(nèi)建筑以村莊為主，多為低層建筑，建筑面積約占測區(qū)的65%；在測區(qū)西北側(cè)有兩棟高層建筑，東南側(cè)有4棟高層建筑，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理

1）數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)采用多旋翼無人機(jī)搭載定制五鏡頭傾斜相機(jī)，每個(gè)鏡頭參數(shù)一致，定焦焦距為35 mm，像元大小為4.5 um，傳感器尺寸為6 000×4 000。根據(jù)無人機(jī)性能和測區(qū)概況，將測區(qū)劃分為5個(gè)分區(qū)，共飛行11個(gè)架次，設(shè)計(jì)航高為80 m（高層區(qū)180 m），航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%?？紤]到鏡頭傾斜對測區(qū)邊緣的影響，將在測區(qū)邊緣多延伸1～2個(gè)航線，實(shí)際飛行面積約為2 km2，共采集有效影像36 560張，地面分辨率設(shè)計(jì)為2 cm。在測區(qū)內(nèi)均勻測設(shè)24個(gè)像控點(diǎn)和10個(gè)精度檢查點(diǎn)。受天氣因素影響，外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)耗時(shí)2d，影像采集耗時(shí)3d。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集情況如表1所示。

表1 飛行數(shù)據(jù)采集情況表

2）實(shí)景三維數(shù)據(jù)處理。通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集獲取原始影像、POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)坐標(biāo)；再利用主要三維建模軟件生成實(shí)景三維數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、工程文件建立、影像質(zhì)量檢查、相片參數(shù)設(shè)置、控制點(diǎn)刺點(diǎn)、多視影像空三解算、分區(qū)塊密集匹配、紋理映射、成果輸出等步驟。三維模型過程數(shù)據(jù)包括全局點(diǎn)云（圖3）、三維白模、TIN格網(wǎng)和三維實(shí)景模型（圖4）。

圖3 全局點(diǎn)云

圖4 三維實(shí)景模型

3）三維測圖?；谏傻娜S實(shí)景模型，采用市面上主流的矢量測圖軟件進(jìn)行DLG測圖。關(guān)鍵點(diǎn)在于，該軟件具備輔助線功能，在測量屋檐時(shí)，可通過垂直輔助線、十字輔助線進(jìn)行改正，使測量更加準(zhǔn)確。根據(jù) GB/T 20257.1-2017《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》的要求進(jìn)行全要素采集，由于三維模型部分區(qū)域受自身模型遮擋、損失等影響，部分區(qū)域無法直接采集，因此還有一部分工作需要外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測。最終的地形圖繪制成果如圖5所示。

圖5 地形圖繪制成果

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述方法的成果精度，采用傳統(tǒng)全站儀進(jìn)行外業(yè)實(shí)測驗(yàn)證，隨機(jī)選取69個(gè)地物點(diǎn)，進(jìn)行平面精度和高程精度的對比。平面較差對比如表2所示，平面較差統(tǒng)計(jì)分析如圖6所示。高程與全站儀實(shí)測數(shù)據(jù)的較差統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表2 平面較差對比/m

表3 高程較差對比/m

圖6 平面較差分布統(tǒng)計(jì)圖

由傾斜三維模型測圖數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比可知，在平面精度方面，監(jiān)測地物點(diǎn)為69個(gè)，粗差點(diǎn)為2個(gè)，粗差率為2.9%，中誤差為±0.056 m，小于CJJ/T8-2011《城市測量規(guī)范》中地物點(diǎn)相對于鄰近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差要求；在高程精度方面，監(jiān)測地物點(diǎn)為69個(gè)，中誤差為±0.048 m，小于CJJ/T8-2011《城市測量規(guī)范》中高程注記點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差要求。

3 結(jié) 語

本文研究了基于無人機(jī)傾斜攝影測量的1∶500地形測圖技術(shù)，探討了關(guān)鍵技術(shù)流程和要點(diǎn)；并以廣州市增城區(qū)某村莊為例，對平面和高程精度進(jìn)行了分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的1∶500地形測圖方法能明顯提高外業(yè)采集效率，產(chǎn)品精度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，技術(shù)路線具有可行性。然而，該方法也存在一定的局限性；①測圖精度要求越高、航高越低，影像數(shù)量就越多，處理效率將下降；②基于實(shí)景模型的矢量采集，要求三維模型具有很高的完整性和精度，但實(shí)際模型往往受紋理單一、遮擋等影響，存在漏洞、模糊等缺陷，甚至受天氣、光線等影響，出現(xiàn)地物邊緣眩暈的情況，不利于建筑矢量采集，增加了外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測的工作量。因此，筆者認(rèn)為該方法雖可用于大比例尺測圖，但尚需繼續(xù)完善，另可結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，這是下一步的研究方向。