無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用研究

閆令軍，申小兵，季曉菲

（1.三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000；2.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

采用航空攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)的測(cè)繪成果主要包括4D 產(chǎn)品，其中數(shù)字線劃圖（DLG）是非常重要的一項(xiàng)測(cè)繪成果，其也被稱為地形圖，被廣泛用于規(guī)劃項(xiàng)目中。地形圖測(cè)繪，目前主流的作業(yè)方式有全野外作業(yè)和內(nèi)外業(yè)相結(jié)合作業(yè)2 種方式。全野外作業(yè)，就是利用GPS-RTK 設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪，主要采集特征點(diǎn)，并在采集的過(guò)程中，繪制對(duì)應(yīng)的草圖，以便后期內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)字化成圖。這種作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期長(zhǎng)，而且野外作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，其精度的高低主要和采集點(diǎn)的數(shù)量相關(guān)。內(nèi)外業(yè)相結(jié)合作業(yè)其實(shí)是指基于航空攝影測(cè)量的作業(yè)方式，外業(yè)獲取任務(wù)區(qū)影像數(shù)據(jù)和少量像控點(diǎn)，內(nèi)業(yè)采用專業(yè)的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到少量的加密點(diǎn)和精確的內(nèi)外方位元素，然后基于虛擬立體像對(duì)地形圖進(jìn)行采集，這種方式對(duì)作業(yè)人員要求高，現(xiàn)在逐漸被傾斜攝影技術(shù)所取代。傾斜攝影是在獲取多視影像的基礎(chǔ)上，采用專業(yè)數(shù)據(jù)解算軟件生產(chǎn)三維模型，并基于三維模型進(jìn)行地形圖的測(cè)繪[1-3]。由于地形圖精度和航攝影像分辨率有關(guān)，為了提升地形圖的精度，本次將仿地飛行技術(shù)用于傾斜攝影航攝中，并對(duì)本文方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目可知，采用本文方案生產(chǎn)的山區(qū)地區(qū)地形圖，其精度可以滿足1∶500 精度要求，可以給山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖的生產(chǎn)帶來(lái)參考。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

這種技術(shù)是指在攝影測(cè)量時(shí)，無(wú)人機(jī)上搭載了多臺(tái)數(shù)碼相機(jī)，分別從垂直角度和側(cè)視角度對(duì)地面進(jìn)行拍攝，并獲取多角度、全方位、信息豐富的影像數(shù)據(jù)[4-6]。目前無(wú)人機(jī)上搭載的傾斜設(shè)備主要有2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭和9 鏡頭，其中最常見(jiàn)的為5 鏡頭，其由1 個(gè)下視相機(jī)和4 個(gè)側(cè)視相機(jī)組合拼接而成。在航攝時(shí)，飛控控制5 個(gè)相機(jī)同時(shí)曝光拍照，并將下視相機(jī)的位置和姿態(tài)記錄下來(lái)。5 鏡頭相機(jī)在空中曝光時(shí)，拍攝照片的示意圖如圖1 所示。

圖1 傾斜5 鏡頭航攝示意圖

2 無(wú)人機(jī)仿地飛行技術(shù)

仿地飛行是指無(wú)人機(jī)在飛行的過(guò)程中，其高度始終與被攝物體保持不變[7-9]。其主要參照的數(shù)據(jù)是數(shù)字表面模型（DSM）。對(duì)于航空攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)，相對(duì)航高、相機(jī)焦距、像元大小和影像地面分辨率四者之間存在式（1）的關(guān)系。

式中：H 為相對(duì)航高，f 為相機(jī)焦距，a 為像元大小，GSD為影像地面分辨率。由式（1）可知，對(duì)于同一款相機(jī)，其像元大小是固定的，在航攝時(shí)，相機(jī)焦距都是固定的，因此變量只有H 和GSD。要想獲得的影像地面分辨率不變，則必須保持H 不變。對(duì)于平坦地區(qū)而言，飛機(jī)距離地面的高度可以看作一個(gè)常數(shù)，因此獲得的影像分辨率是相同的，但是對(duì)于地形高低起伏變化的區(qū)域，要想獲得的影像分辨率一致，則必須保證飛機(jī)距離地面的高度是不變的，因此無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)，其必須隨著地形的變化而改變其絕對(duì)航高。圖2 為仿地飛行示意圖。

圖2 仿地飛行示意圖

3 作業(yè)流程

將傾斜攝影技術(shù)和仿地飛行技術(shù)結(jié)合起來(lái)用于山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖的測(cè)繪。其主要作業(yè)流程包括測(cè)區(qū)勘探與已有資料收集、像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量、航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)航攝、空中三角測(cè)量解算、實(shí)景三維模型生產(chǎn)和地形圖測(cè)繪，具體的作業(yè)流程如圖3 所示。

圖3 作業(yè)流程示意圖

4 案例分析

本項(xiàng)目位于甘肅隴南某地區(qū)，要求生產(chǎn)1∶500 地形圖。通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)勘察可知，任務(wù)區(qū)內(nèi)高差約600 m，采用傳統(tǒng)固定航高飛行方式，搭配焦距為35 mm 的相機(jī)，確保在航攝安全距離范圍內(nèi)，其在低處區(qū)域獲取的影像分辨率無(wú)法滿足項(xiàng)目需求。收集到的數(shù)據(jù)有0.2 m分辨率的影像和現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的DSM 成果數(shù)據(jù)。為了采用航空攝影方式生產(chǎn)得到高精度的數(shù)字線劃圖，本次采用仿地飛行技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合的作業(yè)方式，對(duì)任務(wù)區(qū)內(nèi)的數(shù)字線劃圖進(jìn)行生產(chǎn)。

4.1 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

首先將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入LSV 軟件中，選用LSV軟件中的距離量測(cè)工具，按照500 m 的間隔均勻布設(shè)點(diǎn)位，并對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。像控點(diǎn)布設(shè)完成后，將布設(shè)的像控點(diǎn)點(diǎn)位和收集的0.2 m 影像套合，制作成路線圖提供給外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量人員，通過(guò)路線圖對(duì)作業(yè)路線進(jìn)行規(guī)劃，可以提高作業(yè)效率，避免像控點(diǎn)漏測(cè)情況發(fā)生。外業(yè)人員根據(jù)路線圖找到點(diǎn)位，再結(jié)合實(shí)際地形，選擇合適的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)位噴涂與坐標(biāo)值的測(cè)量。在像控點(diǎn)點(diǎn)位選擇時(shí)，要求點(diǎn)位噴涂在不易毀壞的地方，且四周較空曠，無(wú)遮擋，點(diǎn)位與周邊地物反差大。點(diǎn)位噴涂完成后，利用GPS-RTK 進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)的采集，每個(gè)點(diǎn)采集3 次，取3 次的平均值為最終成果，在采集時(shí)，從不同視角對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行拍照，以供內(nèi)業(yè)進(jìn)行點(diǎn)位判讀。圖4 為實(shí)地噴涂的像控點(diǎn)點(diǎn)位。在采集時(shí)，采集隨機(jī)分布較均勻的35 個(gè)平高特征點(diǎn)，用來(lái)對(duì)后期的地形圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 像控點(diǎn)噴涂與測(cè)量

4.2 航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)采集

本次航線規(guī)劃選用WapPointMaster 軟件，將任務(wù)區(qū)kml 格式的范圍線和tif 格式的DSM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入精細(xì)仿地航線設(shè)計(jì)對(duì)話框中，選用下視焦距為35 mm，側(cè)視焦距為50 mm 的相機(jī)，設(shè)置地面影像分辨率為50 cm，坡向角度為30°，起飛點(diǎn)高程為1 550 m，旁向及航向重疊度均為80%，得到仿地飛行相對(duì)航高為388.72 m。具體設(shè)置界面如圖5 所示。

圖5 精細(xì)仿地航線設(shè)計(jì)

將規(guī)劃好的航線成果上傳飛控，外業(yè)人員對(duì)任務(wù)區(qū)進(jìn)行航空攝影作業(yè)。由于任務(wù)區(qū)落差較大，選擇上午10 點(diǎn)到下午2 點(diǎn)的這段時(shí)間進(jìn)行航攝，此時(shí)太陽(yáng)高度角較高，地面上形成的遮擋較少，產(chǎn)生的陰影區(qū)域就少，而且這段時(shí)間光照充足，獲取的影像成果亮度適中，對(duì)比度明顯，信息豐富，成果質(zhì)量高。

4.3 數(shù)據(jù)解算與模型生產(chǎn)

在對(duì)目前主流的幾款建模軟件進(jìn)行對(duì)比分析后[10]，最終選用Context Capture Center 軟件進(jìn)行本次數(shù)據(jù)的解算。首先新建工程，將航攝得到的影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，再手動(dòng)錄入相機(jī)焦距和傳感器尺寸，設(shè)置工程路徑和引擎路徑?？焖賹?duì)影像進(jìn)行檢查，確保輸入的影像無(wú)損壞。提交空三解算任務(wù)，開(kāi)啟引擎，完成數(shù)據(jù)的解算。采用人機(jī)交互方式查看解算成果，未出現(xiàn)分層、彎曲等問(wèn)題，成果可用。將像控點(diǎn)導(dǎo)入到軟件中，完成像控點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺與平差。然后在此基礎(chǔ)上，設(shè)置切塊方式和瓦片大小，選擇模型輸出格式為OSGB，提交重建任務(wù)，生產(chǎn)實(shí)景三維模型成果。

4.4 地形圖測(cè)繪

本次地形圖生產(chǎn)使用EPS 軟件。首先將OSGB 格式的三維模型和對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)xml 文件加載到軟件中，并快速得到EPS 軟件能夠識(shí)別的DSM 數(shù)據(jù)。對(duì)于模型結(jié)構(gòu)完整、無(wú)拉花變形的區(qū)域，直接在實(shí)景三維模型上進(jìn)行地形圖測(cè)繪；對(duì)于模型變形嚴(yán)重，精度無(wú)法保證的區(qū)域，則將該部分對(duì)應(yīng)的虛擬立體像對(duì)加載進(jìn)來(lái)，在立體環(huán)境下，對(duì)地形圖進(jìn)行采集。實(shí)景三維模型上的坐標(biāo)都是真實(shí)坐標(biāo)，可以直接通過(guò)模型獲得房屋等的屬性信息，如房屋類型、層數(shù)、高度等，并且填在數(shù)據(jù)庫(kù)中。充分發(fā)揮實(shí)景三維模型的優(yōu)勢(shì)，將實(shí)景三維模型測(cè)圖和虛擬立體像對(duì)測(cè)圖相結(jié)合，可以減少外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)的工作量，提升作業(yè)效率。EPS 軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)，并且地形圖的生產(chǎn)都是在數(shù)據(jù)庫(kù)里完成，按照入庫(kù)要求，對(duì)地形圖進(jìn)行拓?fù)錂z查等，最終得到高質(zhì)量的地形圖成果。

5 精度分析與評(píng)定

利用外業(yè)采集的35 個(gè)平高檢查點(diǎn)，對(duì)本次生產(chǎn)的地形圖精度進(jìn)行檢測(cè)，并將平面較差和高程較差制作成散點(diǎn)圖，如圖6 所示。

圖6 檢測(cè)點(diǎn)精度檢測(cè)散點(diǎn)圖

按照現(xiàn)有大比例尺規(guī)范可知，1∶500 山區(qū)地區(qū)地形圖，其平面位置中誤差為0.4 m，高程中誤差為0.35 m，平面和高程最大較差不超過(guò)2 倍中誤差。通過(guò)圖6 可知，35 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，其平面較差最大的未超過(guò)0.6 m，高程較差最大的也未超過(guò)0.6 m。采用高精度中誤差計(jì)算公式

式中：M 為中誤差，n 為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，Δx 和Δy 為在X方向和Y 方向上的較差，Σ 為累計(jì)求和符號(hào)。采用式（2）對(duì)本次生產(chǎn)的地形圖精度進(jìn)行計(jì)算，得到其平面位置中誤差為±0.357 m，高程位置中誤差為±34.4 m，成果精度滿足1∶500 山區(qū)地區(qū)地形圖精度要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了傾斜攝影技術(shù)和仿地飛行技術(shù)，并以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，將2 種技術(shù)用于山區(qū)地區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪中。利用外業(yè)采集的高精度檢查點(diǎn)，對(duì)本文生產(chǎn)的地形圖成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用本文方法生產(chǎn)的地形圖，其精度均勻可靠，并且作業(yè)效率高，作業(yè)成本低，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。