基于傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的研究

張畢祥，馮亞飛

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基于傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的研究

張畢祥1，馮亞飛2

（1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.昆明市信息中心，云南 昆明 650500）

傾斜攝影測量技術(shù)作為國際測繪領域最近幾年來新興的一種測繪新技術(shù)，目前在三維建模和工程測量中得到了很好的應用。傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)主要對象為地形、地物頂部；地面起伏、地物側(cè)面紋理和三維結(jié)構(gòu)等屬性獲取有限；此外目前大比例尺地形圖測繪方法在成圖效率與成本之間有一定的矛盾。文章闡述了基于無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的繪圖流程、線劃圖數(shù)據(jù)采集，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)點簡化后續(xù)繪圖工作。根據(jù)恭城縣得到的大比例尺地形圖成果，平面精度達到：0.209 m，高程精度達到：0.197 m，符合大比例尺地形圖精度要求，精度完全可以達到同等比例尺外業(yè)數(shù)字測量的精度要求。

傾斜攝影測量技術(shù)；大比例尺地形圖；影像處理；三維建模；精度評定

0 引言

通常稱比例尺在1 : 500—1 : 10萬的地形圖為大比例尺地形圖。大比例尺地形圖（large scale topographical map）由于其位置精度高、地形表示詳盡，是規(guī)劃、管理、設計和建設過程中的基礎資料。隨著各大中城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫建設的完成，大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性問題成為人們關(guān)注的熱點問題。目前常用的大比例尺地形圖測繪方法均面臨著工作效率低，成圖周期長，不能快速測圖的緊迫問題[1]。如航空攝影測量技術(shù)測繪小面積地形花費的人力物力成本高，精度上不能滿足1 : 500地形圖的測量精度[2]；GPS-RTK存在衛(wèi)星限制、地物干擾、缺少多余觀測、高程數(shù)據(jù)不準確等問題[3-5]；作為國際測繪領域一項高新技術(shù)，傾斜攝影測量技術(shù)（oblique photography technique）因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，近年來在信息化測繪領域進行了諸多探索[6]。該技術(shù)通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維城市模型[7-8]。該技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過搭載多臺傳感器從一個垂直、多個傾斜 等不同角度采集影像，獲得具有較高分辨率、較大視場角、更詳細的地物信息數(shù)據(jù)[9-11]。利用傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖，充分發(fā)揮無人機成本低、靈活、拍攝范圍廣、飛行速度慢等一系列優(yōu)點[12-13]。

文章針對傳統(tǒng)測圖方法測繪大比例尺地形圖效率低而且工作量大的缺點，提出基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖方法，具體闡述了該方法具體的生產(chǎn)流程及線劃圖數(shù)據(jù)采集[14-16]方法，并對地形、地物要素進行了外業(yè)精度檢測。

1 傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖流程

傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖流程和傳統(tǒng)測圖方法類似，然而流程更加簡化，主要有以下及部分：

（1） 準備工作

相關(guān)資料準備：控制點成果、坐標系統(tǒng)、高程基準參數(shù)、已有的地形圖成果，無人機航飛技術(shù)方案，明確無人機搭載的傳感器、影像重疊度、飛行航高航帶架次數(shù)、影像拍攝間隔，地面分辨率、焦距、及比例尺的選擇等。

相關(guān)儀器設備準備：無人機、數(shù)碼相機檢校，三維模型數(shù)據(jù)處理軟件

（2） 數(shù)據(jù)采集

航空攝影：應選擇天氣晴朗，能見度較高，風速3級以內(nèi)的時間段進行。

像控點布設：遵循一系列的布設原則。

空中三角測量：按照相關(guān)的測量規(guī)范對項目區(qū)域進行空中三角加密測量。

（3） 三維模型構(gòu)建及數(shù)字線劃

采用已有的傾斜攝影建模軟件，通過對獲得的多視角影像進行區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配技術(shù)、三角網(wǎng)構(gòu)建來得到密集的高精度點云數(shù)據(jù)，進行可視化處理，最終得到三維傾斜模型，幫助繪圖人員提高繪圖速率。

（4） 外業(yè)調(diào)繪、補測及成圖

盡管實景三維模型可清晰辨別地物位置和類別信息，然而傾斜攝影獲取的影像存在一部分拍攝盲區(qū)，如立交橋的下面、建筑物的遮擋、植被茂密的遮擋等，內(nèi)業(yè)處理應進行標記，外業(yè)進行實地調(diào)繪與補測。

傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖流程

2 傾斜攝影測量技術(shù)實例與結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)概況

測區(qū)地理位置位于廣西恭城縣東南蓮花鎮(zhèn)，介于東經(jīng)110°51￠282到110°56￠032，和北緯24°39￠052至24°44￠322之間，測區(qū)總面積為17.4平方公里。蓮花鎮(zhèn)位于恭城瑤族自治縣南部，東毗鐘山縣，南鄰平樂縣同安鎮(zhèn)，西接平樂縣二塘鎮(zhèn)，北接本縣平安鄉(xiāng)，距縣城14公里。通過航空攝影獲取蓮花鎮(zhèn)紅巖村周圍17.4 KM2的影像數(shù)據(jù)（其中1.4 KM2傾斜影像用于1 : 500成圖，16KM2的正攝影像用于1 : 2000成圖），通過后續(xù)像控測量，空三加密，立體采集，外業(yè)調(diào)繪，編輯整理等工序形成測區(qū)1 : 500數(shù)字線劃圖和正射影像成果為打造紅巖生態(tài)農(nóng)業(yè)文化公園AAAA級景區(qū)，為設計院提供蓮花鎮(zhèn)紅巖村地形圖，為規(guī)劃設計做基礎。本文選取1.4 KM的傾斜影像數(shù)據(jù)做研究，測區(qū)如圖2所示的多邊形區(qū)域。

2.2 傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖技術(shù)流程

2.2.1 無人機地形數(shù)據(jù)采集

本次無人機航線方向為南北向，航高350 m，航向重疊率70%，旁向重疊率65%，地面分辨率為0.0414 m，區(qū)域航線數(shù)為384條航片。準備工作：航空區(qū)域的空域批文，分析攝區(qū)情況，規(guī)劃航攝區(qū)，選擇起降場地，分辨率、航高計算等。無人機航空攝影作業(yè)流程如圖3所示，航攝的實施和航線示意圖如圖4所示。

圖2 1 : 500地形圖試驗測區(qū)位置

圖3 無人機航空攝影作業(yè)流程

航拍實施包括地面基站架設，飛行平臺各系統(tǒng)調(diào)試，風力風向測試，信號頻率和強度測試等。

2.2.2 三維模型構(gòu)建

Smart 3DCapture數(shù)據(jù)處理基于圖形運算單元（Graphic Processing Unit GPU）的快速三維場景運算，可以依賴昂貴且低效率的激光點云掃描系統(tǒng)或定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System POS），不需人工干預能夠從簡單連續(xù)影像中生成逼真的實景真三維場景模型，區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)僅僅依靠高程生成缺少側(cè)面結(jié)構(gòu)的2.5維模型。Smart 3Dcapture 可以運算生成基于真實影像的超高密度點云，并以此生成基于真實影像紋理的高分辨率實景三維模型。其工作流程，大致為：新建工程→數(shù)據(jù)導入→控制點影像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)→空三加密處理→平差優(yōu)化→提交重建任務→提交成果產(chǎn)品等。Smart 3Dcapture傾斜影像三維模型構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 傾斜影像三維模型構(gòu)建流程

將檢校解算后的傾斜像片導入Smart3D Capture軟件中進行空三加密、自動三維建模，由真彩色航空像片生成高密度點云和OSG格式的實景三維模型。

2.2.3 要素矢量采集及數(shù)據(jù)編輯

這是此次研究的一個技術(shù)難點，將上面的Smart3D建好的實景三維模型和點云數(shù)據(jù)導入到矢量化采集軟件中（其前提是支持模型和點云數(shù)據(jù)的軟件）進行數(shù)據(jù)采集。個人推薦北京吉威時代軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的一組專業(yè)而全面的空間數(shù)據(jù)處理軟件Geoway。在采集的過程中必須遵循GB/T20257.1-2007《國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形圖圖式》（以下簡稱《圖式》），GB/T 7930-2008《1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（以下簡稱《內(nèi)業(yè)規(guī)范》）；GB/T 15967-2008《1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》；CH/T 9008.1-2010《基礎地理信息數(shù)字成果1 : 500 1 : 1000 1 : 2000數(shù)字線劃圖》。

2.2.4 補繪及調(diào)繪

數(shù)據(jù)采集工作除內(nèi)業(yè)采集人員根據(jù)模型和點云矢量化以外，匯集需補測的問題交給外業(yè)調(diào)繪補，也有利于上下工序的理解和銜接，保證成圖的質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集按“模型定位、外業(yè)定性、看不清不繪、看不到不繪、疑問標注符號”的原則進行。整理完成的數(shù)字線劃圖，最后修改整飾地形圖，完成測圖工作。測區(qū)在丘陵地區(qū)，地物類主要是房屋、道路和植被，地形復雜。得到10.6 MB的DWG文件。平面坐標系統(tǒng)采用2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000）、高斯-克呂格投影，3°分帶中央子午線為110°50￠002、采用2000橢球大地高，成果如圖5所示。

3 大比例尺地形圖精度評定

地形圖測繪完成以后需要評估數(shù)學精度，根據(jù)工程攝影測量規(guī)范，平面點位精度和高程注記點精度要求如表1所示。

在1 : 500的地圖中抽取均勻分布的40個點對平面位置精度和高程精度進行了實地檢測基本等高為1 m。平面主要對房屋、道路進行精度檢測，精度檢測中誤差為±0.209 m；高程精度檢測中誤差為±0.197 m。平面和高程誤差統(tǒng)計見表2，誤差統(tǒng)計圖如圖7所示。

平面點和高程點的點位中誤差計算結(jié)果：

平面中

高程中

平面中誤差在圖上距離為0.418 mm，小于圖上0.6 mm，（丘陵地區(qū)）；高程中誤差為0.197 m，小于 0.5 m（1/2基本等高距）。根據(jù)圖6可得出，高程中誤差相比平面中誤差波動大，使用此方法得出的高程精度比平面精度低，然而高程中誤差0.197 m能夠滿足規(guī)范要求，實驗數(shù)據(jù)證明了該方法具有可行性。

圖5 軟件矢量化采集成果——數(shù)字線劃圖（DLG）

表1 工程攝影測量規(guī)范地形攝影測量的基本精度

Tab.1 Basic accuracy of terrain photogrammetry for engineering photogrammetry

4 結(jié)語

本文基于無人機傾斜攝影系統(tǒng)獲得影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，通過Smart3D軟件生成了真實三維模型，并制作了大比例尺地形圖。將實地量測檢查點坐標和三維模型中生成的地形圖檢查點的平面坐標和高程坐標進行對比，證明該方法生成的地形圖在平面上可以滿足1 : 500地形圖的要求。無人機飛行作業(yè)受天氣影響較大、無人機飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，矢量化采集過程非自動化等一系列問題，將來相關(guān)硬件、軟件的深入研究將為推廣傾斜攝影測量技術(shù)測繪大比例尺地形圖提供更加有利的條件。

表2 檢測點坐標及高程較差統(tǒng)計表（單位：m）

Tab.2 Checkpoint coordinates and elevation difference statistics table (unit: m)

（備注：其中△H2的值并不是所給坐標點位的高程差值，只是共用序號）

圖7 誤差統(tǒng)計圖

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Research on Surveying and Mapping of Large-scale Topographic Maps Based on Inclined Photogrammetry

ZHANG Bi-xiang1，F(xiàn)ENG Ya-fei2

(1.Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan Province 650093；2.Kunming Information Center, Kunming, Yunnan Province 650500)

Tilting photogrammetry technology is a new mapping technology emerging in the field of international surveying and mapping in recent years, and it has been well applied in three-dimensional modeling and engineering measurement. The main objects of traditional photogrammetry technology are the topography of terrain and the top of the ground; the properties of ground relief, side textures, and three-dimensional structures are limited; in addition, mapping methods for large-scale topographic maps have certain contradictions between mapping efficiency and cost. This paper expounds the drawing flow and line chart data acquisition based on the UAV tilted photogrammetry in large-scale topographic map mapping, and uses the advantage of UAV tilted photogrammetry to simplify the subsequent drawing work. According to the large-scale topographic map obtained by Gongcheng County, the plane accuracy is 0.209 m and the elevation accuracy is: 0.197 m. It meets the accuracy requirements of large-scale topographic maps, and the accuracy can exactly meet the accuracy requirement of digital measurement in the same scale.

Oblique photogrammetric technique; Large-scale topographic map; Image processing; 3D modeling; Accuracy assessment

P231

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.031

張畢祥(1991-)，男，研究生，主要研究方向：3S集成與應用。

馮亞飛(1981-)，女，工程師，主要研究方向：從事智慧城市、大數(shù)據(jù)、3S、城市規(guī)劃信息。

本文著錄格式：張畢祥. 基于傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪中的研究[J]. 軟件，2018，39（7）：146-151