傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

谷龍閃，王立妮，王鵬澤

（河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南鄭州 450012）

0 引言

繪制大比例尺地形圖一直以來都是地理信息科學(xué)和工程測繪領(lǐng)域的一項重要任務(wù)。地形圖為城市規(guī)劃、工程建設(shè)、資源管理和環(huán)境保護等各種應(yīng)用提供了必不可少的地理信息基礎(chǔ)［1］。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，繪制大比例尺地形圖面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。傳統(tǒng)的測量和制圖方法主要依賴于地面測量、航空攝影測量和手工繪圖，需要大量的時間、人力和資金。傳統(tǒng)方法在處理復(fù)雜地形、城市環(huán)境和大面積區(qū)域時往往效率低下，難以滿足高精度的要求。傾斜攝影測量技術(shù)以其快速、高效的數(shù)據(jù)獲取方式和豐富的信息內(nèi)容，成為地形圖制圖的重要工具。余加勇等人針對傳統(tǒng)人工邊坡調(diào)查方法效率低、風(fēng)險高、難度大的問題［2］，提出了基于無人機傾斜攝影的公路邊坡三維重建和災(zāi)害識別方法，從而實現(xiàn)了公路邊坡災(zāi)害場景的自動識別。Shuai Liu 等人針對傳統(tǒng)的野外地質(zhì)露頭數(shù)據(jù)采集方法存在的局限性［3］，引入了無人機傾斜攝影技術(shù)及快速三維建模技術(shù)，從而更真實地記錄地質(zhì)露頭的信息，提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。因此，研究借助傾斜攝影測量技術(shù)來克服傳統(tǒng)繪制大比例尺地形圖的困難和限制，構(gòu)建基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的地形圖測繪模式，選用不同數(shù)量的像控點布置方案處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，并對成果精度進行了對比分析。研究旨在為大比例尺地形測量生產(chǎn)提供更高效、更準確和更可靠的方法，并為地理信息科學(xué)和工程測繪領(lǐng)域的發(fā)展貢獻重要研究成果。

1 基于傾斜攝影測量技術(shù)的地形圖繪制模型建立

1.1 基于無人機的傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是一種新興的航空攝影技術(shù)，主要是利用無人機搭載傾斜攝影相機，以多角度和多方向拍攝地面圖像，生成具有多個視角的影像數(shù)據(jù)［4］。在執(zhí)行航攝任務(wù)時，無人機根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的飛行計劃，飛至目標(biāo)區(qū)域，分別從前、后、左、右和垂直5 個角度同步進行數(shù)據(jù)采集。為確保數(shù)據(jù)采集的完整性和準確性，需要合理選擇和設(shè)置航攝參數(shù)，包括地面采樣間隔（Ground Sampling Distance，GSD）、航高、影像重疊度、攝影基線和航線間隔。這些參數(shù)的選擇對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和地圖生成至關(guān)重要。

1）GSD，指在地面上一單位距離對應(yīng)于圖像上的像素數(shù)量。研究主要目的是繪制1∶1000 比例尺的地形圖，因此，選擇GSD 約為0.10 m 以確保地形圖的精度滿足特定的要求。

2）航高，指無人機相對于地面的垂直高度。航高的選擇應(yīng)考慮地圖精度、數(shù)據(jù)采集速度和地形復(fù)雜性。

3）影像重疊度，包括航向重疊度和旁向重疊度。適度的影像重疊度對于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和地圖制作非常重要。航向重疊度通常在60%到80%之間，旁向重疊度通常在20%到40%之間。

4）攝影基線，指在傾斜攝影中航攝儀連續(xù)兩次曝光瞬時兩物鏡前節(jié)點空間位置的連線。選擇較大的攝影基線可以提供更多視差信息，有利于提高三維建模精度，但需要考慮地形高程變化和任務(wù)需求。

5）航線間隔，指相鄰航線之間的水平距離。較小的航線間隔提供更多的數(shù)據(jù)重疊，有助于建立更精確的地形模型，但需要大量的飛行時間。較大的航線間隔，易造成數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，適用于地勢相對平坦的地理區(qū)域。

針對上述5 個航攝參數(shù)，在實驗時均做出合理設(shè)計以滿足要求。

1.2 多旋翼與固定翼無人機輔助的傾斜攝影地形圖繪制模型

在攝影測量技術(shù)中，有2 種常見的應(yīng)用方案，即多旋翼無人機傾斜攝影方案和固定翼無人機傾斜攝影方案［5］。研究對比了這2 種方案之間的區(qū)別，如表1 所示。

表1 多旋翼無人機傾斜攝影和固定翼無人機傾斜攝影的主要區(qū)別

由表1 可知：多旋翼無人機和固定翼無人機技術(shù)原理、功能以及適用領(lǐng)域均存在較大的區(qū)別。多旋翼無人機以多視角傾斜攝影的方式進行數(shù)據(jù)獲取，遮擋較小，能多方位獲取數(shù)據(jù)，較適合地形復(fù)雜、分辨率要求高、工作周期短的精細化工程；針對覆蓋范圍廣、工作周期長、地形地勢變化簡單的工程，固定翼無人機優(yōu)勢更加明顯，固定翼無人機飛行速度快、續(xù)航時間長的特點，可以高效、快速地完成范圍廣、精度要求相對較低的工程任務(wù)。兩者在不同應(yīng)用領(lǐng)域存在各自的優(yōu)勢，因此，研究結(jié)合多旋翼無人機和固定翼無人機，共同輔助傾斜攝影測量技術(shù)并應(yīng)用于工程繪制大比例尺地形圖中，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，滿足不同任務(wù)需求。研究提出的多旋翼與固定翼無人機輔助的傾斜攝影地形圖繪制模型的流程如圖1 所示。

圖1 多旋翼與固定翼無人機輔助的傾斜攝影地形圖繪制模型流程圖

利用傾斜攝影測量技術(shù)可以快速獲取地物地貌實景信息，并通過影像畸變修正、去噪、校正、圖像配準、影像勻光勻色等影像處理工作后，進行原始影像POS 數(shù)據(jù)處理及空三解算，經(jīng)多視影像匹配技術(shù)以及紋理映射處理可生成實景三維模型。初步生成的三維模型會出現(xiàn)一定程度的水面鏤空、結(jié)構(gòu)扭曲等問題，可通過人工結(jié)合實際影像數(shù)據(jù)進行實景三維模型精細化修復(fù)。通過人工精細化修復(fù)的三維模型即可投入地形圖繪制使用。

研究著重關(guān)注數(shù)據(jù)預(yù)處理后構(gòu)建的三維模型的幾何精度是否滿足相應(yīng)比例尺的地形圖精度要求，使用平面精度和高程精度2 個指標(biāo)進行檢測。平面精度通過計算多個地物特征點處坐標(biāo)和模型對應(yīng)位置的坐標(biāo)差值來計算其中誤差。高程精度檢測涉及高程檢查點的收集，將它們映射到三維模型上，測量模型上對應(yīng)位置的高程值，然后，計算實際高程值與模型估算高程值之間的差異，以得出高程精度的中誤差。如果檢查點數(shù)量小于30 個，可利用誤差值的平均值來代替中誤差。

對于高精度檢測，即檢查點精度等級高于圖面測量精度時，中誤差的計算表達式如式（1）所示：

而對于同精度檢測，即檢查點精度等級等于圖面測量精度，表達式如式（2）所示：

式（1）與式（2）中：E、s與Δi分別為中誤差、檢查點總數(shù)與較差。

2 傾斜攝影測量技術(shù)在地形圖繪制中的實驗分析

為確認傾斜攝影測量技術(shù)在地形圖制作中的可行性和準確性，尤其要驗證提出的地形圖繪制模型的有效性，研究共設(shè)置了2 個不同的實驗區(qū)域，通過在不同地理環(huán)境和地形條件下進行實驗，可以更全面地對傾斜攝影測量技術(shù)與模型進行評估。

首先，實驗1 的實驗區(qū)域位于郊區(qū)，地形平坦，覆蓋面積長約1.2 km，寬約1.0 km，最高海拔為490 m，最低海拔為440 m，最大高差為50 m。實驗的主要目的是繪制1∶1000 比例尺的地形圖。在像控點的設(shè)置與測量方面，按照要求，總共布設(shè)了9 個像控點，布設(shè)位置分別為4 個角點、4 條邊的中點以及中心點。為保障像控點坐標(biāo)的精度，利用GNSS-RTK對像控點的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)進行數(shù)據(jù)采集。此外，還設(shè)置了4 個平面檢查點和67 個高程檢查點。在實際飛行操作中，無人機起飛點的高程為460 m，相對航高為230 m，航向重疊度和旁向重疊度分別為70% 和30%。攝影基線長度為60 m，航線間距為145 m，最低分辨率為0.10 m。在數(shù)據(jù)處理階段，以像控點數(shù)量為控制量，設(shè)計了兩種數(shù)據(jù)處理方案，如圖2 所示。

圖2 實驗1 不同計算方案

第1 種方案采用了9 個像控點，像控點之間的平均距離維持在500 m 至600 m 之間。第2 種方案則采用數(shù)量較少的像控點，僅利用了實驗區(qū)域4 個角以及中心位置的5 個像控點，像控點的平均間距增至約780 m。采用方案1 生成的實景三維模型細節(jié)如圖3 所示。

通過計算地物點平面位置中誤差和高程注記點高程中誤差來檢核2 種方案。前者指地形圖上標(biāo)注的地物點的實際測量位置與地形圖上應(yīng)該出現(xiàn)的位置之間的誤差，通常用于評估地形圖的平面幾何精度。后者則是指地形圖上標(biāo)注的高程注記點的實際測量高程與地形圖上應(yīng)該具有的高程之間的誤差，通常用于評估地形圖的垂直幾何精度。實驗結(jié)果顯示，2 種方案產(chǎn)生的誤差值有明顯區(qū)別，如圖4 所示。

圖4 實驗2 不同計算方案中誤差對比

由圖4 可知：方案1 的平面位置中誤差為0.05 m，顯著低于規(guī)定的0.6 m 的允許值，表現(xiàn)出較高的精度水平。方案2 的平面位置中誤差為0.14 m，在允許范圍內(nèi)，但高于方案1 的平面位置中誤差，精度相對較低。對于0.5 m 等高距，方案1 的高程中誤差為0.13 m，低于規(guī)定的0.21 m 允許值，方案2 的高程中誤差為0.15 m，同樣低于規(guī)定值。對于1.0 m等高距，方案1 的高程中誤差為0.14 m，明顯低于0.3 m 的允許值，方案2 的高程中誤差為0.26 m，也低于規(guī)定值。綜上可知，方案1 整體精度優(yōu)于方案2，說明增加像控點的密度可在一定程度上提高了地形圖精度。

實驗2 的實驗區(qū)域位于黃土高原溝壑地貌地區(qū)，地勢復(fù)雜，地形特征呈現(xiàn)出較大的起伏，覆蓋面積約5.6 km2，形狀不規(guī)則，海拔最大跨度達270 m，從最低海拔980 m 至最高海拔1250 m。實驗的目標(biāo)是繪制1∶1000 比例尺的地形圖。在實驗區(qū)域內(nèi)共布設(shè)了12 個像控點，設(shè)計航向和旁向距離為400 m，采用GNSS-RTK 技術(shù)獲取平面坐標(biāo)和高程信息。為提高測量精度，額外增加布設(shè)了8 個平面檢查點和43個高程檢查點。外業(yè)航飛起飛點海拔1100 m，相對航高為300 m，采用了75%的航向重疊度和35%的旁向重疊度，攝影基線長度為60 m，航線間距為140 m，最低分辨率為0.08 m。實驗2 采用了4 種不同的計算方案進行數(shù)據(jù)處理，如圖5 所示。

圖5 實驗2 不同計算方案像控點放置示意圖

由圖5 可知：方案1 采用所有可用的像控點，方案2 剔除了實驗區(qū)域內(nèi)部的2 個像控點，方案3則剔除了中點邊界的4 個像控點，而方案4 僅使用實驗區(qū)域邊界拐角處的6 個像控點，以評估在像控點數(shù)量相對較少的情況下，傾斜攝影測量技術(shù)以及所提出的模型在性能和數(shù)據(jù)準確性方面的表現(xiàn)。4種不同方案下中誤差結(jié)果以及與規(guī)范允許值對比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 實驗2 采用的4 種不同計算方案中誤差對比

由圖6 可知：使用較多像控點的方案在測試中表現(xiàn)出色，其精度明顯優(yōu)于其他方案的精度。隨著像控點密度的減少，各測試方案的中誤差逐漸增加，這一趨勢符合預(yù)期。具體來看，針對地物點的平面位置中誤差，規(guī)范要求的允許值為0.8 m。第1方案中誤差僅為0.09 m，明顯低于規(guī)范的要求。第2、第3 和第4 方案的中誤差分別為0.25 m、0.11 m和0.16 m，盡管略微高于第1 方案的，但仍然在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。再者，對于高程注記點的高程中誤差，規(guī)范要求的允許值為0.6 m。在第1 方案中，高程中誤差僅為0.06 m，表現(xiàn)出色。第2 方案為0.12 m，第3 方案為0.21 m，第4 方案為0.41 m。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)大比例尺地形圖繪制中存在的不足，研究提出了一種利用傾斜攝影測量技術(shù)進行工程繪制大比例尺地形圖的方法，通過實驗驗證了該方法的有效性。在實驗1 中，2 個設(shè)計的計算方案中的誤差均滿足規(guī)范要求，如平面位置中誤差分別為0.05 m 和0.14 m，遠低于0.6 m 的允許值。在實驗2中，設(shè)計了4 個數(shù)據(jù)處理計算方案，方案均滿足最大允許值要求，其中使用較多像控點的方案中誤差最小。傾斜攝影測量技術(shù)為航測和地理信息領(lǐng)域提供了實際應(yīng)用價值，同時也為相關(guān)研究提供了新的思路和數(shù)據(jù)支持。本研究僅涵蓋了特定地理環(huán)境下的實驗，如平坦地區(qū)和坡地地區(qū)。對于其他地理環(huán)境，如城市、森林或沼澤地等，傾斜攝影測量技術(shù)的適用性仍需要進一步研究和驗證。