傾斜攝影測量實景三維模型在困難地區(qū)地形圖質(zhì)量檢驗中的應用

黃 威

（廣東省國土資源測繪院，廣東廣州 510500）

0 引言

當今測繪地理信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)深度融合，測繪地理信息產(chǎn)業(yè)進入了蓬勃發(fā)展階段［1］。在傳統(tǒng)的地形圖質(zhì)量檢驗過程中，存在資源消耗過多以及低效率等問題。尤其針對測繪困難地區(qū)的大比例尺數(shù)字地形圖檢驗，傳統(tǒng)以外業(yè)為主、內(nèi)業(yè)為輔的質(zhì)檢方式具有極大的局限性［2］。眾多學者對困難地區(qū)的測繪與地形圖質(zhì)檢優(yōu)化進行了深入探討。滿亞洲等使用低空無人機傾斜攝影技術(shù)獲取高寒山地區(qū)的影像數(shù)據(jù)［3］，并構(gòu)建實景三維模型，試驗驗證了該方法的有效性。李國鋒使用拓普康天狼星無人機規(guī)劃航線［4］，通過一系列技術(shù)獲取高質(zhì)量的地形圖數(shù)據(jù)，并結(jié)合實際案例分析無人機地形圖測繪數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。

綜上所述，將無人機應用于測繪的研究取得較好成果，但針對地形復雜地區(qū)的測量技術(shù)較少。因此，研究針對復雜地區(qū)引入無人機傾斜攝影測量方法優(yōu)化原傾斜攝影測量（Oblique Photogrammetry，OP）方案，構(gòu)建研究區(qū)域的實景三維模型，并且為大比例尺數(shù)字地形圖檢驗工作創(chuàng)建一種新型質(zhì)檢方式。研究以期提升質(zhì)檢工作的效率與質(zhì)量，為地形復雜地區(qū)的質(zhì)檢模式提供切實有效的新方法，為測繪地理信息行業(yè)的新型質(zhì)檢體系建設(shè)與服務保障能力建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 OP實景三維模型構(gòu)建

1.1 OP模型與方案的設(shè)計

OP 是一個在飛行平臺上搭載多臺傳感器，并從垂直和傾斜等多角度采集地面影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列處理后獲取地物準確、完整的位置信息與紋理數(shù)據(jù)。前期準備工作是進行傾斜攝影測量的基礎(chǔ)，主要內(nèi)容包括對測量地區(qū)進行實地勘探，確定測量區(qū)域的地物地貌情況，以及結(jié)合實地情況和測量區(qū)域存在的基礎(chǔ)像控點設(shè)計傾斜測量方案。其中，像控點位置的選取與布設(shè)需要滿足以下要求：首先，需要保證其在影像中清晰且有區(qū)分性，便于后續(xù)空三加密過程像片刺點；其次，盡可能布設(shè)在旁向中心線附近，盡量避開樹木與密集建筑物等不易于測量的位置；最后，需要滿足地面影像分辨率、攝影區(qū)域地形地貌特點與成圖要求分辨率等因素，區(qū)域網(wǎng)布設(shè)區(qū)域的最佳形狀為矩形，可根據(jù)測量區(qū)域的實際情況增加像控點數(shù)量。目前像片控制點常用的布設(shè)方法有單航線布點法與區(qū)域網(wǎng)布點法，傾斜攝影測量獲取的影像后續(xù)需使用空三加密平差方法，故選用區(qū)域網(wǎng)布點法。區(qū)域網(wǎng)像控點布設(shè)方案如圖1 所示。

圖1 區(qū)域網(wǎng)像控點布設(shè)方案

圖1（a）為常規(guī)區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)方案，滿足保證外圍點的控制范圍的基本需求；圖1（b）是航片旁向重疊度（Lateral Overlap，LO）較低時區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)方案，通過在航線旁向加高程點來保證不規(guī)則測量區(qū)域的精度；圖1（c）是光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差（Regional Combined Adjustment by Beam Method，RCABM）的基礎(chǔ)區(qū)域布設(shè)策略，在矩形頂點處進行雙平高點布設(shè)，同時整體使用平高點與高程點間隔的布設(shè)方案。在航攝時，無人機傾斜攝影測量需設(shè)置航高、像片重疊度與航線參數(shù)，航高的設(shè)置需按照規(guī)范要求與實際情況進行設(shè)置。航高h的計算如式（1）所示：

式中：F為物鏡的鏡頭焦距；RP為航攝像片要求的分辨率；S為像元尺寸；g為重力加速度。

根據(jù)無人機傾斜攝影測量相應規(guī)范的要求，航向重疊度一般在60%~80%，旁向重疊度設(shè)為15%~60% ，且重疊度的判定以區(qū)域內(nèi)高程最大處為準。針對困難地區(qū)的無人機航攝優(yōu)化設(shè)計如下：高原測繪困難地區(qū)，選擇氣候溫和且干燥的時間進行工作，且機體應更換為高原適用型機翼，與平原作業(yè)相比，高原作業(yè)還需縮短單架次時間。研究區(qū)域內(nèi)像控點使用超額布設(shè)，且航飛面積為1.1×104m2，像控點布設(shè)數(shù)量為123 個，在高差較大或坡度較緩的區(qū)域在坡頂與坡底等地形復雜區(qū)增加像控點的布設(shè)。此外，根據(jù)研究區(qū)域地形復雜、怪石分布現(xiàn)狀，航高設(shè)為80～120 m，航向重疊度與旁向重疊度分別為80% 和75% ，航線彎曲度低于5% 。針對貼近山區(qū)與高度差較大的區(qū)域，研究采用分區(qū)塊多架次航飛，航高根據(jù)區(qū)域情況進行設(shè)定，若出現(xiàn)航片分辨率不足、影像缺失等情況，需在原航線進行補拍。航攝影像作業(yè)完成后，需要進行影像特征提取與匹配。目前特征提取方法適用最廣泛的是尺度不變特征變換（Scale Invariant Feature Transformation，SIFT）算法，其能對不同視角下的物體或場景實現(xiàn)可靠匹配，且提取的特征對圖像的尺度和旋轉(zhuǎn)具有不變性及較高的魯棒性，此外，還具有較快的計算速度和可擴展性等優(yōu)點。SIFT 特征提取算法與影像匹配流程如圖2 所示。

圖2 SIFT 特征提取算法與影像匹配流程

空中三角測量是用攝影測量解析法確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素，通過1 張像片組成的一束光線作為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)與平移，使模型間的公共點的光線實現(xiàn)最佳交會。同時使整個區(qū)域最佳地納入已知的控制點坐標系統(tǒng)中，以相鄰像片公共交會點坐標相等、控制點的內(nèi)業(yè)坐標與已知的外業(yè)坐標相等為條件，列出控制點與加密點的誤差方程式，進行全區(qū)域的統(tǒng)一平差計算，最終求解出每張像片的相關(guān)地面坐標。OP 數(shù)據(jù)處理較為主流的方法為RCABM，具體操作如下：將航攝相機的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、慣性傳感器（Inertial Measurement Unit，IMU）作為外方位元素的初始值，然后與地面像控點坐標進行聯(lián)合平差。但傾斜攝影影像點云數(shù)據(jù)量過大，因此，研究使用密集匹配的方法減少影像空中三角測量加密后點云數(shù)據(jù)的冗余。如今性能最為優(yōu)秀的密集匹配算法是基于貼片模型的半全局匹配（PMVS）算法。在數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）構(gòu)建完成后，使用紋理映射將真實的地物紋理與色彩賦予DSM，最終完成實景可視立體三維模型的構(gòu)建。

1.2 基于實景三維模型對數(shù)字地形圖的質(zhì)檢

由于現(xiàn)今大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢工作不能滿足測繪地理信息行業(yè)需求，因此，研究針對測繪行業(yè)新需求，設(shè)計新型大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢模式。根據(jù)國家標準要求，大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢內(nèi)容分為詳查與概查，詳查內(nèi)容包括樣本單位成果的數(shù)學精度（Mathematical Precision，MP）、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的正確性（Correctness Of Data and Structure，CODS）、地理精度（Geographic Accuracy，GA）、整飾質(zhì)量（Finishing Quality，F(xiàn)Q）與附件質(zhì)量（Accessory Quality，AQ）；概查內(nèi)容包括成圖范圍、區(qū)域的符合性、圖幅分幅與編號、測圖控制覆蓋面、密度的符合性和詳查以外圖幅的重要或特別關(guān)注的質(zhì)量要求或指標。大比例尺數(shù)字地形圖具體的檢查項及其質(zhì)量子元素（Mass Sub Element，MSE）權(quán)重如表1 所示。

表1 大比例尺數(shù)字地形圖檢查項及其質(zhì)量子元素權(quán)重

成果質(zhì)量錯漏類型有A、B、C 與D 四類，對應扣分值為42、12、4 與1 分。MP 檢驗的相關(guān)計算，如式（2）所示：式中：T1為相應質(zhì)量子元素分值；T2為各質(zhì)量子元素評分分值；b、c與d分別為質(zhì)量子元素中相應的B、C 與D 類錯漏個數(shù)；t為調(diào)整系數(shù)；Δe為MSE 的中誤差限差（Error Tolerance，ET）與檢測中誤差的差值；ζe為MSE 的ET。

地理精度檢驗首先根據(jù)數(shù)字線劃圖進行內(nèi)業(yè)邏輯性判別，然后按照國家規(guī)范中檢查項內(nèi)容和錯漏分類，逐地物和實景三維模型進行對照判別。數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)的正確性檢驗包括：首先按照生產(chǎn)方提供經(jīng)過審批的項目設(shè)計書的要求，檢查文件命名與大比例尺數(shù)字地形圖文件格式是否合理。然后數(shù)據(jù)產(chǎn)品分層與層名代碼執(zhí)行CASS 默認的分層方法與層名代碼。最后檢查地物屬性代碼與標識以及圖幅邊界分割地物屬性接邊。FQ 內(nèi)容包括圖名圖號、圖廓外整飾質(zhì)量等內(nèi)容；AQ 包括被檢成果作業(yè)單位提交的成果附件和相關(guān)材料。

2 傾斜攝影測量實景三維模型在困難地區(qū)地形圖質(zhì)量檢驗中的應用分析

為驗證OP 實景三維模型在地勢與地貌的復雜地區(qū)進行地形圖質(zhì)檢中的應用，研究選擇廣東省羅定市船步鎮(zhèn)所在的八排山區(qū)域作為研究區(qū)域。八排山屬于高原地區(qū)，海拔1081 m，季節(jié)性氣候特征顯著，地類為高山地，地形圖成果等高距3 m。研究區(qū)域內(nèi)奇石滿布，怪樹叢生，云遮霧繞，測繪十分困難。

研究使用軟件ThingPano 生成測量區(qū)域的實景三維模型，結(jié)果如圖3 所示。此外研究選用大疆無人機進行航拍作業(yè)，其能極大減少相機拍攝與手工選擇連接點的流程。圖3（a）與圖3（b）分別為數(shù)字正射影像圖與實景三維模型的局部圖。

圖3 實景三維模型成果

為了檢驗數(shù)字地形圖質(zhì)量中的MP，研究按照1∶500 比例尺地形圖精度生成實景三維模型，待檢成果為八排山1∶1000 大比例尺數(shù)字地形圖，其中，實景三維模型的制作范圍要大于八排山的待檢成果。針對研究區(qū)數(shù)字正射影像成果，傾斜攝影測量三維模型隨機采集20 個平面檢測點，傳統(tǒng)質(zhì)檢方式采用航測外業(yè)調(diào)繪方法采集數(shù)據(jù)，共取同名的20個驗證點。新型質(zhì)檢方式與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的平面點誤差分布如圖4 所示，在點位較差為（0，0.1］，（0.1，0.2］、（0.2，0.3］、（0.3，0.4］與大于0.4 的5 種范圍中，新型質(zhì)檢方式的檢測點數(shù)量分別為3、9、6、0、2；傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的檢測點數(shù)量分別為3、14、2、1、0。傳統(tǒng)質(zhì)檢方式平面檢查點的誤差為0.35 m，人工調(diào)繪平面點誤差為0.27 m，中誤差限差為0.67 m。與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式平面檢查點相比，新型質(zhì)檢方式平面檢查點的誤差較其低0.13 m，人工調(diào)繪平面點誤差較其低0.09 m，中誤差限差較其低0.09 m。研究結(jié)果表明：新型質(zhì)檢方式擁有更高的MP，能充分滿足相關(guān)規(guī)范。

圖4 新型質(zhì)檢方式與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式平面點誤差分布

高程精度檢測中新型質(zhì)檢方式與傳統(tǒng)質(zhì)檢方式各選取30 個高程檢測點，其中，傳統(tǒng)質(zhì)檢方式仍采取航測外業(yè)調(diào)繪方法采集檢測點數(shù)據(jù)，可得不同質(zhì)檢方式高程檢測點高差分布結(jié)果，如圖5 所示?？梢?，新型質(zhì)檢方式檢測點高程中誤差在0.14 m，中誤差限差為0.17 m。傳統(tǒng)質(zhì)檢方式檢測點高程中誤差為0.39 m，中誤差限差為0.73 m。對于地理精度的檢查，在傳統(tǒng)方法的外業(yè)實地核查過程中，無法從地形圖中對地勢險要區(qū)域進行踏勘，作業(yè)員4人分2 組，共耗時4 d。而新型質(zhì)檢方式僅需1 個作業(yè)員，總耗時1 d。傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的結(jié)果與新型質(zhì)檢方式相比，C 類問題少發(fā)現(xiàn)1 個，D 類問題少發(fā)現(xiàn)若干。

傳統(tǒng)質(zhì)檢方式與新型質(zhì)檢方式的質(zhì)量評定結(jié)果如表2 所示，新型質(zhì)檢方式的數(shù)學精度與數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的正確性質(zhì)量評分大于傳統(tǒng)質(zhì)檢方式，二者質(zhì)量等級均為優(yōu)。

表2 傳統(tǒng)質(zhì)檢方式與新型質(zhì)檢方式質(zhì)量評定結(jié)果單位：分

3 結(jié)語

在困難地區(qū)的大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)量精度檢驗中，傳統(tǒng)方法存在成本消耗過大、效率低、檢測范圍不全等問題。為解決上述問題，研究提出無人機OP 方法，并進一步改進常規(guī)OP 方案，使其更加符合地形困難地區(qū)的需求，最終建立八排山地區(qū)的實景三維模型，為大比例尺數(shù)字地形圖的質(zhì)檢工作提供新方式。試驗結(jié)果顯示：在平面檢測與高程檢測中，新型質(zhì)檢方式在絕大部分指標結(jié)果中的效果優(yōu)于傳統(tǒng)質(zhì)檢方式的效果。在質(zhì)量評分中，新型質(zhì)檢方式的評分為89.8 分，較傳統(tǒng)的質(zhì)檢方式高1.5 分。綜上所述，研究提出基于傾斜攝影測量的實景三維模型與新型質(zhì)檢方案具有更高的精度與適用性。但研究仍存在不足，該方法僅為靜態(tài)地獲取區(qū)域地理狀況，但地理空間信息是隨時間動態(tài)變化的，故需在未來研究中尋找動態(tài)化使用層面的質(zhì)檢方法。