仿地飛行技術(shù)在山區(qū)大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用研究

鄭朝峰，王東野

（浙江海測科技有限公司，浙江 杭州 310051）

數(shù)字線劃圖是航空攝影測量4D 產(chǎn)品重要的組成部分，在實(shí)際生產(chǎn)規(guī)劃中有著很多用途。傳統(tǒng)的地形圖生產(chǎn)是利用GPS-RTK 進(jìn)行全野外作業(yè)，并在采集坐標(biāo)時繪制草圖，完成數(shù)據(jù)采集后，在CASS 等軟件中將草圖和采集的坐標(biāo)進(jìn)行矢量化。傳統(tǒng)的地形圖生產(chǎn)方式由于作業(yè)效率低，精度的高低和采集坐標(biāo)的密度呈正相關(guān)，已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。隨著無人機(jī)垂直攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)，采用無人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的獲取，利用攝影測量軟件進(jìn)行空中三角測量解算和虛擬立體環(huán)境測圖成為了主流的地形圖生產(chǎn)方式，但是這種方式采集影像時無人機(jī)飛行高度是不變的，這樣在地形起伏變化大的區(qū)域采集影像時，獲取的影像分辨率差異大，空三解算精度不均勻，導(dǎo)致最終的成果在分辨率低的區(qū)域容易出現(xiàn)精度超限問題，而且獲取的影像視角單一，遮擋嚴(yán)重，外業(yè)工作量相對來說也不小[1-4]。

針對這種問題，本文分析了仿地飛行和傾斜攝影測量技術(shù)后，提出將二者結(jié)合用于山區(qū)大比例尺地形圖生產(chǎn)的作業(yè)方案，并通過實(shí)地采集的檢測點(diǎn)進(jìn)行精度檢測。檢測結(jié)果表明：采用本文方案生產(chǎn)的地形圖，其精度可以滿足1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范地形圖精度要求，并且精度均勻，內(nèi)業(yè)可用的影像信息更加豐富。較垂直攝影測量來說，外業(yè)工作量明顯下降，降低了作業(yè)成本，提升了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，具有一定的實(shí)用性和借鑒性。

1 仿地飛行技術(shù)

仿地飛行是一種高度隨著數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）變化而變化的航空飛行技術(shù)，這種飛行技術(shù)能夠始終保證飛行高度與DSM 之間的高度是一致的。相機(jī)焦距、航高、像元大小和影像分辨率之間的關(guān)系為

其中：GSD 為影像地面分辨率；H 為相對航高；a為像元大??；f 為焦距。

由式（1）可知，當(dāng)航攝高度一致時，同一款相機(jī)其獲取的影像地面分辨率是相同的[5-6]。影像航向、旁向重疊度和航高有關(guān)，當(dāng)航高與地面之間的高度固定時，其航向、旁向的影像重疊度也是一致的，這樣保證了后續(xù)空三解算時精度是均勻的。

2 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量是指飛行平臺在作業(yè)時，搭載傾斜設(shè)備，在空中對地面從多個角度進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，并利用攝影測量軟件完成影像數(shù)據(jù)的解算，生產(chǎn)測繪產(chǎn)品的技術(shù)。通常飛行平臺有固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)續(xù)航時間長，作業(yè)效率高，但是相對多旋翼無人機(jī)來說，飛行高度較高，獲取的影像分辨率較低；多旋翼無人機(jī)較固定翼無人機(jī)而言，可以飛行更低，獲取的影像分辨率更高，但是作業(yè)效率低。

傾斜攝影是可以搭載多種鏡頭的傾斜相機(jī)，以固定五鏡頭相機(jī)為例，其由1 個下視相機(jī)和4 個側(cè)視相機(jī)組成。下視相機(jī)從空中垂直地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，其獲取的主要是建筑物頂部信息；側(cè)視相機(jī)則是從空中以一定的傾斜角度對地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，其獲取的主要是建筑物側(cè)面信息，是對垂直攝影盲區(qū)影像數(shù)據(jù)的補(bǔ)充[7-9]。通過對不同傾斜角度下獲取的影像數(shù)據(jù)信息豐富度、成果精度分析可知，當(dāng)傾斜相機(jī)與垂直相機(jī)的夾角為45°時，獲取的影像信息最為豐富，數(shù)據(jù)解算精度也最高。

3 傾斜攝影仿地飛行作業(yè)流程

利用仿地飛行和傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行山區(qū)大比例尺地形圖的生產(chǎn)，其主要包括像控點(diǎn)的布設(shè)與采集、高精度DSM 數(shù)據(jù)的獲取、仿地航線規(guī)劃、影像數(shù)據(jù)采集、實(shí)景三維模型生產(chǎn)、大比例尺地形圖制作、成果精度檢測統(tǒng)計(jì)等，具體傾斜攝影仿地飛行作業(yè)流程見圖1。

圖1 傾斜攝影仿地飛行作業(yè)流程

4 案例分析

1）測區(qū)勘察與資料收集。本次任務(wù)區(qū)位于山區(qū)，測區(qū)面積13.2 km2，范圍內(nèi)高差約500 m，如采用傳統(tǒng)固定航高攝影測量的話，獲取的影像分辨率差異大，在范圍內(nèi)的高處重疊度低，在低處重疊度高，會導(dǎo)致空中三角測量精度較差，生產(chǎn)的地形圖成果精度不均勻，甚至超限。在分析了地形后，決定采用傾斜攝影和仿地飛行技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和地形圖的生產(chǎn)。仿地飛行需要高精度的DSM 數(shù)據(jù)，本次通過資料收集獲取了任務(wù)區(qū)已有的垂直影像數(shù)據(jù)，現(xiàn)勢性較強(qiáng)。利用Pix4D 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到了精度較高的DSM 數(shù)據(jù)成果，可以作為仿地飛行航線規(guī)劃的參考數(shù)據(jù)，為本次作業(yè)方案的順利實(shí)施提供了保障。

2）像控點(diǎn)布設(shè)與采集。首先將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入LSV 軟件中，再按1 000 m 的間隔均勻布設(shè)像控點(diǎn)，最后將布設(shè)好的點(diǎn)位導(dǎo)出為標(biāo)記語言（Keyhole Markup Language，KML）文件，提供給外業(yè)采集像控點(diǎn)的作業(yè)人員。外業(yè)人員將KML 文件導(dǎo)入到奧維互動地圖APP 軟件中，通過導(dǎo)航找到實(shí)際點(diǎn)位后，進(jìn)行像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。為了提升內(nèi)業(yè)像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺精度，本次像控點(diǎn)點(diǎn)位采用邊長為1 m 的紅色油漆噴涂的L 形靶標(biāo)，每個點(diǎn)位采集為3 次，且多次較差均要求在2 cm 之內(nèi)，取平均值作為像控點(diǎn)最終的坐標(biāo)值。為了對地形圖成果精度進(jìn)行檢測，按照同樣的采集方式，在空三精度薄弱區(qū)域隨機(jī)采集30 個特征檢查點(diǎn)。

3）仿地航線規(guī)劃與影像數(shù)據(jù)獲取。將獲取的DSM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Waypoint Master 航跡大師軟件中進(jìn)行仿地航線的規(guī)劃。設(shè)置地面影像的分辨率為13 cm，航向重疊度為85%，旁向重疊度為80%，航向外擴(kuò)2 條基線長度，旁向外擴(kuò)1 條航帶，以確保任務(wù)區(qū)邊緣獲取的影像數(shù)據(jù)完整，得到完整的實(shí)景三維模型成果。將規(guī)劃好的航線上傳飛行控制系統(tǒng)，在確保飛行環(huán)境安全時，完成無人機(jī)的起飛與影像數(shù)據(jù)采集工作。通過人機(jī)交互方式，對影像的表征質(zhì)量、色調(diào)、反差、對比度、影像和POS 的完整性進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，本次采集的成果質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范，成果可用。

4）空中三角測量解算?？罩腥菧y量解算是攝影測量最為核心的一個步驟，通過共線方程，恢復(fù)了航攝像片與地面點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，通過像控點(diǎn)的平差調(diào)整，將相對定向的加密點(diǎn)成果轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)下。空中三角測量解算的精度主要與輸入的參數(shù)有關(guān)，為了確保數(shù)據(jù)解算精度高，利用少量的影像對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合五鏡頭相機(jī)安置參數(shù)，以下視相機(jī)POS 為基準(zhǔn)，對側(cè)視鏡頭POS數(shù)據(jù)進(jìn)行了解算，得到高精度的相機(jī)參數(shù)和POS 數(shù)據(jù)。利用ContextCapture 三維實(shí)景建模軟件進(jìn)行空中三角測量解算，本次空三加密點(diǎn)重投影中誤差為0.31 像素，控制點(diǎn)三維中誤差為0.051 m，空三加密成果精度符合相關(guān)規(guī)范，可直接用于后續(xù)三維模型的生產(chǎn)。

5）實(shí)景三維模型生產(chǎn)。以空三加密成果為基礎(chǔ)，先利用多視影像密集匹配算法完成密集點(diǎn)云的匹配，并得到不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）成果，利用直接法將紋理準(zhǔn)確的映射到三角網(wǎng)上，得到的紋理逼真細(xì)膩，符合實(shí)際情況的實(shí)景三維模型成果。在數(shù)據(jù)分塊生產(chǎn)時，結(jié)合電腦配置，本次瓦片劃分方式選擇規(guī)則平面格網(wǎng)，大小設(shè)置為100 m×100 m，格式選擇OSGB，其他參數(shù)默認(rèn)，提交任務(wù)，完成三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

6）山區(qū)大比例尺地形圖制作。本次地形圖生產(chǎn)利用EPS 軟件完成。加載OSGB 模型和XML 文件，得到EPS 軟件中可以使用的DSM 索引文件，并按照地形圖采集要求完成本次地形圖的生產(chǎn)。為了提升作業(yè)效率和成果質(zhì)量，本次采集四邊規(guī)則房屋時，使用“四點(diǎn)房”命令可以快速繪制規(guī)則房屋。采集等高線時，先在植被覆蓋區(qū)域通過“淹沒”的方式獲取等值面，再進(jìn)行等高線采集；在植被稀少、裸露區(qū)域，通過自動提取高程點(diǎn)，利用高程點(diǎn)生成等高線的方式進(jìn)行等高線數(shù)據(jù)的采集。對于模型不完整，無法準(zhǔn)確采集的區(qū)域，外業(yè)進(jìn)行補(bǔ)充測繪，通過內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性的內(nèi)外業(yè)相結(jié)合作業(yè)方式，得到最終的地形圖成果。

7）精度檢測統(tǒng)計(jì)與分析。利用采集的30 個特征檢查點(diǎn)，對本次成果精度進(jìn)行檢測，部分檢測結(jié)果見表1。通過對檢測點(diǎn)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，本次地形圖成果平面精度最大較差為0.712 m，高程較差最大為1.018 m。采用同精度中誤差計(jì)算公式可得到本次30 個點(diǎn)的平面位置中誤差為±0.368 m，高程中誤差為±0.521 m，成果精度均符合1∶2 000 地形圖精度規(guī)范要求。

表1 地形圖精度檢測統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)束語

本文介紹了仿地飛行和傾斜攝影測量技術(shù)，并將二者結(jié)合用于山區(qū)大比例尺地形圖的生產(chǎn)。通過外業(yè)實(shí)地采集的特征點(diǎn)對本次生產(chǎn)的山區(qū)大比例尺地形圖精度進(jìn)行檢測，由檢測結(jié)果可知，本文提到的作業(yè)方案生產(chǎn)的山區(qū)地形圖，其精度均勻，可以滿足1∶2 000 地形圖精度規(guī)范要求，并且充分利用了傾斜攝影多視角度影像，減少了外業(yè)補(bǔ)充測繪工作量，提升了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，具有一定的實(shí)用性和可推廣性。