基于傾斜攝影測量技術(shù)的全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)

雷朝鋒，陳西斌，魏士春

1. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016；

2. 長春市測繪院，吉林 長春 130021；

3. 山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250013

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和新的測繪技術(shù)不斷發(fā)展、迭代，以及社會(huì)發(fā)展過程中對于測繪產(chǎn)品越來越高的要求，新型基礎(chǔ)測繪這一概念在時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生。2015年，國務(wù)院批復(fù)同意《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》，提出“加快發(fā)展基礎(chǔ)測繪，形成新型基礎(chǔ)測繪體系”的要求，也更加推動(dòng)了新型基礎(chǔ)測繪的發(fā)展與應(yīng)用[1]。新型基礎(chǔ)測繪衍生于傳統(tǒng)基礎(chǔ)地形測繪，是對傳統(tǒng)基礎(chǔ)地形測繪的繼承、發(fā)展與推廣。新型基礎(chǔ)測繪具有多種典型特征，如技術(shù)手段新、組織模式新、服務(wù)模式新等。以全屬性、全空間、全實(shí)體為特征的全要素地形數(shù)據(jù)是新型基礎(chǔ)測繪體系下的重要子產(chǎn)品之一。全要素地形數(shù)據(jù)是以地理信息服務(wù)的智能化、精細(xì)化、真實(shí)化、精確化為目標(biāo)，使用新型基礎(chǔ)測繪采集手段獲取全空間地理實(shí)體數(shù)據(jù)，通過數(shù)字矢量形式反映和描述地球表面測量控制點(diǎn)、水系、居民地及垣柵、工礦設(shè)施、交通、管線、境界與政區(qū)、地貌與土質(zhì)、植被等全空間、全要素的空間及屬性等信息[2]。作為近年來興起的空間三維數(shù)據(jù)采集手段，傾斜攝影測量技術(shù)可快速、高效地獲取地表三維空間數(shù)據(jù)。因其具有不受測區(qū)地勢、環(huán)境等限制的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市應(yīng)急保障、精細(xì)化管理、規(guī)劃建設(shè)等眾多領(lǐng)域[3]。本文以某新型基礎(chǔ)測繪試點(diǎn)區(qū)域全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目為例，研究并實(shí)現(xiàn)了基于傾斜攝影測量技術(shù)的全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)。新型基礎(chǔ)測繪試點(diǎn)區(qū)域共90 km2，其中28 km2外業(yè)數(shù)據(jù)使用直升機(jī)搭載傾斜攝影測量系統(tǒng)采集得到。通過對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到滿足全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)條件的影像數(shù)據(jù)、傾斜模型數(shù)據(jù)等。以傾斜攝影測量產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)，完成28 km2的全要素地形數(shù)據(jù)制作。本文基于傾斜攝影測量技術(shù)的全要素地形數(shù)據(jù)制作方法與理念，可供新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)中的地形生產(chǎn)借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況及技術(shù)指標(biāo)

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

某新型基礎(chǔ)測繪示范區(qū)約90 km2，按實(shí)驗(yàn)要求分為A、B、C等3個(gè)區(qū)域。其中A區(qū)約28 km2，通過傾斜攝影測量技術(shù)采集得到外業(yè)數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)地理要素類別豐富，地理實(shí)體覆蓋點(diǎn)、線、面等所有類型，建筑物、交通及其附屬設(shè)施、管線及其附屬設(shè)施、水系及其附屬設(shè)施、地貌、植被等地理實(shí)體種類齊全。

1.2 傾斜攝影測量成果精度指標(biāo)

參照傾斜攝影測量相關(guān)規(guī)范，在基準(zhǔn)面下影像分辨率應(yīng)高于3 cm，困難區(qū)域可放寬至5 cm[4]?？杖^對定向精度需滿足表1中規(guī)定精度指標(biāo)。

表1 絕對定向精度指標(biāo)Tab.1 Absolute orientation accuracy indices

1.3 全要素地形數(shù)據(jù)精度指標(biāo)

《城市測量規(guī)范》中對1∶500地形圖的平面精度與高程精度有明確規(guī)定，在平地、丘陵區(qū)域1∶500地形圖的間距中誤差小于0.20 m，平面點(diǎn)位中誤差小于0.25 m，高程中誤差小于0.10 m[5]。示范區(qū)新型基礎(chǔ)測繪項(xiàng)目參考《城市測量規(guī)范》，以不同實(shí)體、不同精度為目標(biāo)，經(jīng)過各方調(diào)研論證，將全要素地形數(shù)據(jù)平面精度分為3個(gè)等級（表2），將高程精度分為3個(gè)等級（表3）。

表2 全要素地形數(shù)據(jù)平面精度要求Tab.2 Plane accuracy requirements of total factor terrain data

表3 全要素地形數(shù)據(jù)高程精度要求Tab.3 Elevation accuracy requirements of total factor terrain data

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 影像數(shù)據(jù)采集

新型基礎(chǔ)測繪示范區(qū)共完成28 km2的航空影像數(shù)據(jù)采集。直升機(jī)平臺(tái)飛行7個(gè)架次，飛機(jī)軌跡達(dá)到392.04 km。為了保證側(cè)視鏡頭能夠完整覆蓋測區(qū)邊界，在進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集前的航線布設(shè)時(shí)，航向、旁向覆蓋應(yīng)至少超出航攝分區(qū)邊界一個(gè)相對航高的距離。根據(jù)航空攝影相關(guān)規(guī)范與項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，對航攝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，并且嚴(yán)格按照領(lǐng)航數(shù)據(jù)實(shí)施航攝飛行。

相對航高H、航向重疊度px、旁向重疊度py的計(jì)算公式分別為：

式中，f為鏡頭焦距；a為像元尺寸；GSD為地面分辨率；dbl為基線長度；Px為影像航向長度；w為航帶間距；Py為影像旁向長度[6]。

本文傾斜攝影測量系統(tǒng)搭載的鏡頭分辨率為8868×5792，包括兩個(gè)垂直鏡頭，具有11%的重疊率，其中地面分辨率GSD達(dá)到了1.8 cm。通過上式可以計(jì)算得到影像航向長度Px約為104 m，影像旁向長度約為284 m。當(dāng)傾斜攝影測量飛行平臺(tái)的飛行速度達(dá)到60 km/h、相機(jī)曝光間隔達(dá)到1 s時(shí)，航帶間距為120 m，基線長度dbl為15 m。此時(shí)可以計(jì)算得到航向重疊度px約為86%，旁向重疊度py約為58%。為了保證空三的穩(wěn)定性，可適當(dāng)將旁向重疊度提高至80%。在地面分辨率與航高保持不變的情況下，航帶間距可降至57 m。

2.2 像控點(diǎn)采集

本文使用VRS-RTK模式進(jìn)行像控點(diǎn)三維坐標(biāo)采集。每個(gè)位置的像控點(diǎn)共采集4組觀測數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)觀測時(shí)間為15 s。按照像控點(diǎn)采集規(guī)范要求，當(dāng)4組觀測數(shù)據(jù)的平面較差小于2 cm，高程較差小于3 cm時(shí)，可將4組觀測數(shù)據(jù)的平均值作為像控點(diǎn)的最終成果數(shù)據(jù)。像控點(diǎn)采集完成后，均勻選取測區(qū)內(nèi)30%的像控點(diǎn)進(jìn)行檢測。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前要準(zhǔn)備3種原始數(shù)據(jù)，一是外業(yè)像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括點(diǎn)之記、像控點(diǎn)分布圖；二是飛行軌跡POS數(shù)據(jù)，包括所有相片的外方位元素成果（Kappa，Phi，Omega，Height，Latitude，Longitude）；三是影像數(shù)據(jù)，選擇測區(qū)范圍內(nèi)的傾斜與下視5個(gè)鏡頭的傾斜影像數(shù)據(jù)。

3.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

對測區(qū)范圍進(jìn)行分塊，每塊大約為1 km2，并單獨(dú)建立空三解算工程?？杖馑闶褂玫能浖镃ontextCapture Center Master，在軟件中新建工程，存儲(chǔ)路徑與工程名稱為英文。在工程中導(dǎo)入預(yù)處理后的傾斜影像數(shù)據(jù)，其中每個(gè)區(qū)塊的影像數(shù)據(jù)單獨(dú)存在一個(gè)文件夾中。填寫焦距與傳感器大小，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)后一般會(huì)自動(dòng)讀取。

繼續(xù)將飛行POS軌跡數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程中，其中EO文件格式為影像的名稱，需要注意的是，輸入路徑與X、Y、Z均為英文狀態(tài)。

3.3 空中三角測量

利用傾斜影像自動(dòng)匹配得到側(cè)視鏡頭與下視鏡頭的相對位置坐標(biāo)，添加控制點(diǎn)進(jìn)行整體區(qū)域網(wǎng)平差，從而實(shí)現(xiàn)傾斜影像絕對位置獲取，也就是空三加密（圖1）。

圖1 空三運(yùn)行引擎界面Fig.1 Interface of aerial triangulation calculating engine

空三解算區(qū)塊劃分的原則主要有以下3個(gè)方面，一是分塊形狀盡量規(guī)則，以正方形、矩形為宜；二是不同塊邊界至少向外擴(kuò)6張相片；三是分塊不跨測區(qū)，將航測分區(qū)作為區(qū)域分塊邊界[7]。在進(jìn)行相對定向時(shí)，通過選擇特征點(diǎn)，并且利用影像之間的相對關(guān)系進(jìn)行空三計(jì)算，定向完成的標(biāo)志就是所有連接點(diǎn)在同一平面。將外業(yè)控制點(diǎn)加入軟件中，第一次空三計(jì)算完成后，相片上會(huì)出現(xiàn)控制點(diǎn)大致位置，參照外業(yè)控制點(diǎn)照片進(jìn)行刺點(diǎn)。將刺點(diǎn)誤差控制在0.5 pixel以內(nèi)（圖2）。完成所有控制點(diǎn)刺點(diǎn)后，依據(jù)外業(yè)測量精度，分別將控制點(diǎn)的水平與高程誤差改為0.05 m。

圖2 像控點(diǎn)刺點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of image control points

選擇外部控制點(diǎn)進(jìn)行絕對定向，完成絕對定向以后，查看控制點(diǎn)精度，如果重影協(xié)方差在0.5 pixel以內(nèi)，表明空三成果可用，可進(jìn)行下一步建模工作；如果誤差超出范圍，根據(jù)誤差進(jìn)行控制點(diǎn)篩選，或者重新刺點(diǎn)，繼續(xù)做絕對定向，直到精度滿足要求。

3.4 模型制作

導(dǎo)入空三結(jié)果后，得到所有影像的外方位元素及同名點(diǎn)，通過空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)建三角TIN。利用三角TIN完成白模的制作，將影像紋理映射到白模上構(gòu)建真實(shí)場景模型[8]。輸出模型時(shí)的格式為OSGB，紋理質(zhì)量選擇90%，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將輸出的模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為滿足全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，解算得到三維實(shí)景模型（圖3）。

4 全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)

全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)原則為從清晰到模糊，從整體到局部。對因傾斜模型數(shù)據(jù)模糊造成影響內(nèi)業(yè)矢量提取的，應(yīng)進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測工作。在矢量數(shù)據(jù)提取時(shí)，不同地理要素被賦予相應(yīng)編碼及屬性信息。利用傾斜模型數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取時(shí)不僅要保證地理要素種類的正確性，也要保證地理要素提取的精度。對于點(diǎn)狀地理要素，通過定位點(diǎn)準(zhǔn)確描述幾何位置及方位角；對于線狀地理要素，定位線要準(zhǔn)確描述幾何位置及走向；對于面狀地理要素，要保證提取面結(jié)構(gòu)的封閉性。全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程可歸納為數(shù)據(jù)源格式轉(zhuǎn)換、矢量數(shù)據(jù)提取、外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測、數(shù)據(jù)修改與編輯、數(shù)據(jù)檢查。

4.1 數(shù)據(jù)源格式轉(zhuǎn)換

空三解算完成后輸出的是OSGB數(shù)據(jù)格式，而采集軟件為了提高傾斜模型數(shù)據(jù)加載速度，一般會(huì)建立索引結(jié)構(gòu)[9-10]。故在進(jìn)行內(nèi)業(yè)矢量數(shù)據(jù)采集前，需將OSGB數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)為采集軟件可識別的數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

4.2 矢量數(shù)據(jù)采集

基于新型基礎(chǔ)測繪應(yīng)采盡采的原則，采集目標(biāo)不局限于高度、朝向、落地點(diǎn)三維坐標(biāo)等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各要素的點(diǎn)、線、面特征，獲取各要素的三維特征點(diǎn)、線及相關(guān)空間屬性信息，空間屬性信息包括特征點(diǎn)、線及空間屬性等[11-12]。利用傾斜模型采集矢量數(shù)據(jù)會(huì)遇到模型清晰程度不夠或者模型蠟融區(qū)域，不可盲目猜測、隨意加線，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)測。

矢量數(shù)據(jù)采集過程中不同視角下采集會(huì)得到不同的信息，繪制地物信息后，應(yīng)在不同視角下進(jìn)行檢查，保證繪制數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。要素采集應(yīng)不移位、無錯(cuò)漏。圖4為疊加傾斜模型數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)采集。

圖4 矢量數(shù)據(jù)采集Fig.4 Vector data acquisition

4.3 外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測

通過傾斜模型數(shù)據(jù)不可能將實(shí)際環(huán)境的所有地理要素都采集得到。由于傾斜模型數(shù)據(jù)存在部分地物被遮擋，或者部分地物屬性信息不明顯，需要進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪與補(bǔ)測。調(diào)繪過程中要做到走到、看到，使用統(tǒng)一的規(guī)則與合適的符號在圖紙上標(biāo)注，方便內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行判讀[13]。調(diào)繪內(nèi)容包括地理實(shí)體名稱、編號、屬主等信息。補(bǔ)測過程中要充分利用測區(qū)已有控制點(diǎn)，做好草圖，方便內(nèi)業(yè)人員編輯。

4.4 數(shù)據(jù)修改與編輯

完成內(nèi)業(yè)矢量數(shù)據(jù)提取和外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測后，根據(jù)調(diào)繪與補(bǔ)測的結(jié)果對全要素地形數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與編輯，以綜合取舍為基本原則進(jìn)行修改與編輯。全要素地形數(shù)據(jù)屬性來源包括現(xiàn)場調(diào)繪與資料收集，兩種方法結(jié)合使用，互相配合[14]。收集已有各類資料，提取需要使用的屬性信息，對外業(yè)調(diào)繪得到的屬性信息進(jìn)行梳理，將梳理后的屬性信息添加到對應(yīng)的實(shí)體中。

4.5 數(shù)據(jù)檢查

全要素地形數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查主要包括兩方面，一是通過數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查，檢查圖形接邊、對象交叉、對象重復(fù)等錯(cuò)誤；二是數(shù)據(jù)合法性檢查，檢查對象屬性項(xiàng)數(shù)據(jù)的字段大小與字段內(nèi)容的合法性、對象放置層的合法性、對象使用編碼的合法性等。質(zhì)量檢查完成后，根據(jù)評分細(xì)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評定，對質(zhì)量不合格的全要素地形數(shù)據(jù)退回處理，修改至滿足質(zhì)量要求。圖5為制作完成的全要素地形數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪地形圖，全要素地形數(shù)據(jù)主要增加了道路地面箭頭、停車線、人行橫道線、道路標(biāo)線等道路交通標(biāo)志信息，為高精地圖、城市道路交通網(wǎng)絡(luò)提、城市精細(xì)三維模型供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

5 精度評定

對使用傾斜模型制作完成的全要素地形數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，通過RTK結(jié)合全站儀采集檢驗(yàn)點(diǎn)三維坐標(biāo)[15]。檢驗(yàn)點(diǎn)主要為道路特征點(diǎn)、桿類地物中心點(diǎn)、建筑物角點(diǎn)等。將采集得到的檢驗(yàn)點(diǎn)與傾斜模型提取得到的地理要素同名點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比對，得到全要素地形數(shù)據(jù)的平面與高程精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表4）。通過精度統(tǒng)計(jì)表可知，利用傾斜攝影測量技術(shù)提取得到的全要素地形數(shù)據(jù)各類幾何精度均符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

表4 全要素地形數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)Tab.4 Accuracy statistics of total factor terrain data

6 結(jié) 論

作為新型基礎(chǔ)測繪體系下的重要子產(chǎn)品之一，全要素地形數(shù)據(jù)因具有種類齊全的地形要素、三維特征信息等優(yōu)勢，應(yīng)用前景極為廣泛。城市區(qū)域全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)，由于城市建、構(gòu)筑物較為密集，通視條件差，利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集耗時(shí)耗力，工作量巨大。由空間定位、航空攝影等多種技術(shù)組成的傾斜攝影測量技術(shù)無需通視條件，可快速、有效地獲取地表高精度三維數(shù)據(jù)。本文以某新型基礎(chǔ)測繪示范區(qū)全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目為依托，充分利用傾斜攝影測量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)生產(chǎn)中的優(yōu)勢，將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用到全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)中。以傾斜模型與影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源進(jìn)行內(nèi)業(yè)矢量數(shù)據(jù)采集，并且通過外業(yè)檢驗(yàn)點(diǎn)驗(yàn)證了采集數(shù)據(jù)的精度，有效節(jié)省了工期，降低了成本。研究表明，通過傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行全要素地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)是切實(shí)可行的，為新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)中數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式、生產(chǎn)技術(shù)提供了有益的參考。