淺析無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)量中的應(yīng)用

孫德厚 黃昌勝 周海旭

（1、佳木斯市自然資源測(cè)繪研究院，黑龍江 佳木斯 154002 2、淄博職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255314）

1 概述

對(duì)于大比例尺地形圖測(cè)繪，常規(guī)的作業(yè)方法是采用全站儀、RTK 以及全站儀和RTK 組合等方式進(jìn)行全野外測(cè)量。大面積區(qū)域的大比例尺地形圖往往采用航空攝影測(cè)量方法。采用全野外測(cè)量法測(cè)圖，需要測(cè)區(qū)走到、測(cè)到，外業(yè)工作量大，還有大量的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，工作效率低，成圖周期長(zhǎng)，對(duì)于一些沼澤等無法到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域幾乎無法測(cè)量。采用傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量方法進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，由于需要租賃飛機(jī)、進(jìn)行飛行空域申請(qǐng)等原因造成飛行成本加大，同時(shí)由于飛行高度的原因，經(jīng)常受到云霧等天氣的影響，而且只能從垂直角度獲取影像數(shù)據(jù)，該方法的外業(yè)調(diào)繪工作量比較大。隨著測(cè)繪科技的發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)不斷得到創(chuàng)新和完善，采用無人機(jī)搭載多鏡頭從多個(gè)角度對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可高效的獲取測(cè)區(qū)豐富信息，具有作業(yè)效率高、可用信息量大、成本低廉等特點(diǎn)，在危險(xiǎn)地區(qū)和小面積區(qū)域進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1,2]。

本文通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，利用無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，通過像控測(cè)量、空三計(jì)算并生成三維模型，在三維模型上進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)采集，對(duì)武漢漢南經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)沌口北測(cè)區(qū)23km2的區(qū)域進(jìn)行1:500 地形圖測(cè)量，驗(yàn)證了在大比例尺地形圖測(cè)量中采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的可行性。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測(cè)圖技術(shù)流程

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測(cè)圖技術(shù)流程主要包括無人機(jī)傾斜攝影、像控點(diǎn)測(cè)量、空三加密、實(shí)景三維建模、基于實(shí)景三維建模成果的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集以及外業(yè)調(diào)繪工作。

2.1 無人機(jī)傾斜攝影

2.1.1 技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng)目采用的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)為iFLY D6 無人機(jī)攜帶iCam-Q5 plus5 鏡頭傾斜數(shù)碼相機(jī)?？紤]到測(cè)區(qū)內(nèi)部分小區(qū)高層建筑較多，設(shè)計(jì)相對(duì)航高為150-200m。同一航線最大航高與最小航高之差≤30m，相鄰航線航高之差≤20m，設(shè)計(jì)航高與實(shí)際航高之差≤50m。旁向重疊設(shè)計(jì)為70%，困難區(qū)域設(shè)計(jì)為85%。航向重疊設(shè)計(jì)為85%。為滿足建模需求，有建筑物的攝區(qū)需向建模范圍線外延伸150 米進(jìn)行航攝。

2.1.2 航線規(guī)劃

考慮測(cè)區(qū)分布特點(diǎn)及無人機(jī)電池續(xù)航能力，每個(gè)架次的航線長(zhǎng)度控制在6 公里以內(nèi)，沿東西方向飛行。東西相鄰架次之間至少重疊一條基線，南北相鄰架次之間相隔不得超過航線間隔的1.2 倍。測(cè)區(qū)邊緣如果有房屋等高層建筑，航線應(yīng)外擴(kuò)150 米，邊緣地區(qū)如無高層建筑，航線不需外擴(kuò)。架次可以適當(dāng)左右調(diào)整位置進(jìn)行優(yōu)化，避免邊緣地區(qū)架次長(zhǎng)度過大或過小。整個(gè)測(cè)區(qū)的航線規(guī)劃如圖1 所示。

圖1

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)

采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)像控點(diǎn)，平高像控點(diǎn)航向間隔≤1200 米，旁向間隔≤900 米，像控點(diǎn)之間均勻布設(shè)平高檢核點(diǎn)。像控點(diǎn)選擇要求：一是地面影像清晰的地物點(diǎn)，二是接近正交的線狀地物交匯點(diǎn)，三是地物角點(diǎn)。如地面交通標(biāo)志線、地面鋪裝材質(zhì)變換處交角等。要求像控點(diǎn)點(diǎn)位周圍沒有遮擋物，點(diǎn)位在航片上清晰易辨認(rèn)。像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)分布如圖2 所示。

圖2

2.3 空三加密

空三加密是實(shí)景三維建模的核心環(huán)節(jié)之一，為提高成果的位置精度水平，需要將外業(yè)采集像控點(diǎn)數(shù)據(jù)刺點(diǎn)至對(duì)應(yīng)的像片[3]，每組相機(jī)至少刺一張，每個(gè)像控點(diǎn)至少要有4 張刺點(diǎn)像片。利用ContextCapture 對(duì)航片進(jìn)行空三加密解算。首先每個(gè)架次分別進(jìn)行解算，成果合格后再按區(qū)域?qū)⒍鄠€(gè)架次合并成一個(gè)加密區(qū)域進(jìn)行整體解算。這樣可以提高整體解算的精度，提高工作效率，并方便后續(xù)作業(yè)的接邊整合?？杖用芊謪^(qū)如圖3 所示。

圖3

在約束條件下進(jìn)行空三計(jì)算，根據(jù)解算情況及時(shí)偵測(cè)和發(fā)現(xiàn)有問題的像控點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整展點(diǎn)位置或剔除有問題的像控點(diǎn)，必要時(shí)由外業(yè)補(bǔ)測(cè)新的像控點(diǎn)，直到解算結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)合格，精度可靠為止。

2.4 實(shí)景三維模型生成

采用ContextCapture 軟件基于圖形運(yùn)算單元進(jìn)行快速三維模型的構(gòu)建。利用經(jīng)檢查合格的空三加密成果，通過攝影測(cè)量原理，對(duì)獲取的測(cè)區(qū)5 鏡頭傾斜攝影成果進(jìn)行幾何處理、點(diǎn)云匹配、構(gòu)建三維TIN 網(wǎng)、紋理自動(dòng)賦予等步驟，最終生成測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型成果。如圖4 所示。

圖4

2.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用清華山維EPS 軟件，加載三維場(chǎng)景后直接采集地物、地貌等地形圖要素。將ContextCapture 生成的OSGB 模型轉(zhuǎn)換成EPS 可以加載讀取的DSM 模型，利用EPS 地理信息工作站的傾斜攝影測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)圖，同時(shí)可以加載真正射影像圖（超大影像格式）進(jìn)行輔助測(cè)量，也可以在真正射影像圖上對(duì)道路、檢修井等地表地物直接采集。樓層、結(jié)構(gòu)等屬性信息能夠從三維模型中獲取的直接在內(nèi)業(yè)采集。多數(shù)建筑能直接采集建筑物的墻體，不需要外業(yè)調(diào)繪進(jìn)行房檐尺寸改正。數(shù)據(jù)采集界面如圖5 所示。

圖5

2.6 外業(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪的基本內(nèi)容為：檢核（檢核內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)成果）、糾錯(cuò)（糾正內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集測(cè)錯(cuò)的內(nèi)容）、補(bǔ)漏（補(bǔ)充因地物遮擋內(nèi)業(yè)測(cè)漏的內(nèi)容）、改檐（有屋檐都要改正）、屬性調(diào)繪（如地名、房屋層次、房屋結(jié)構(gòu)、流向、高壓線路伏數(shù)、檢修井屬性等）五個(gè)方面。同時(shí)補(bǔ)測(cè)新增地物，并解決處理內(nèi)業(yè)標(biāo)明的疑點(diǎn)問題。

3 應(yīng)用與分析

以武漢漢南經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)沌口北測(cè)區(qū)23km2區(qū)域的1:500 比例尺地形圖測(cè)量為例，論證項(xiàng)目實(shí)施過程及地形圖精度分析。測(cè)區(qū)位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)（漢南區(qū)），東邊至長(zhǎng)江，西邊至后官湖，北邊至三角湖北路，南邊以沌陽大道為界。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)平坦。具體范圍如圖6 所示。

圖6

3.1 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目航拍前依法取得了航拍和空域使用批文，共飛行128 個(gè)架次，完成航攝面積32 平方公里，獲取影像17 萬余張。共布測(cè)像控點(diǎn)125個(gè)、檢查點(diǎn)90 個(gè)，測(cè)量道路中線高程點(diǎn)3500 余個(gè)。傾斜攝影數(shù)據(jù)處理共分10 個(gè)加密區(qū)，采用ContextCapture10.15 軟件，由12 臺(tái)高性能工作站同時(shí)分布進(jìn)行解算，歷時(shí)近3 個(gè)月完成空三加密和實(shí)景三維模型生成，共制作完成測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型成果23km2，同時(shí)對(duì)測(cè)區(qū)的真正射影像成果進(jìn)行輸出?；趯?shí)景三維模型和真正射影像成果，利用EPS 地理信息工作站的傾斜攝影測(cè)量模塊進(jìn)行地形圖數(shù)據(jù)采集，共采集地形圖474 幅圖。經(jīng)過調(diào)繪及采用維思2.0 時(shí)空信息智能處理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫處理，完成最終的1:500 比例尺地形圖成果。

3.2 地形圖精度分析

3.2.1 平面絕對(duì)精度

采用RTK 和全站儀相結(jié)合的方式進(jìn)行平面絕對(duì)精度檢測(cè)，外業(yè)采集地物特征點(diǎn)的坐標(biāo)與地形圖上的相應(yīng)點(diǎn)位的坐標(biāo)進(jìn)行比較分析，共采集比較特征點(diǎn)780 個(gè)，其中粗差點(diǎn)0 個(gè)，平面位置中誤差為±0.175m，滿足《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近平面控制點(diǎn)點(diǎn)位中誤差不大于圖上0.5mm 要求，檢查數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 平面坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 平面相對(duì)精度

平面相對(duì)精度檢查采用鋼尺和測(cè)距儀外業(yè)量測(cè)距離、邊長(zhǎng)與地形圖上對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行比較分析，共檢測(cè)480條邊，其中粗差邊0 條，經(jīng)計(jì)算得到平面相對(duì)位置中誤差為±0.166m，精度滿足《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近地物點(diǎn)間距中誤差不大于圖上0.4mm 要求，檢查數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 平面相對(duì)位置精度統(tǒng)計(jì)表

3.2.3 高程精度

采用RTK 進(jìn)行高程精度檢查。外業(yè)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)高程與地形圖上的相應(yīng)位置的高程進(jìn)行比較分析，共檢測(cè)鋪裝路面高程點(diǎn)785 個(gè)，其中粗差點(diǎn)0 個(gè)，高程中誤差為±0.079m，滿足《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的1:500 地形圖高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.15m要求，檢查數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 高程精度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本文通過對(duì)武漢漢南經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)沌口北測(cè)區(qū)項(xiàng)目利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行1:500 地形圖測(cè)繪成果的精度分析，各項(xiàng)精度均滿足《城市測(cè)量規(guī)范》要求，驗(yàn)證了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)量中應(yīng)用的可行性，與全野外測(cè)量和傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量比較，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的實(shí)景三維模型信息更加豐富，基于實(shí)景三維模型進(jìn)行多視角影像測(cè)圖，不但可以方便快捷的對(duì)地物進(jìn)行識(shí)別和采集，而且可以獲取房屋的層次和結(jié)構(gòu)等信息，大大提高了測(cè)圖效率，縮短了成圖周期，在小面積的地形圖測(cè)量中具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。