寧朝陽(yáng) 李忠朋 朱文康

（河南思拓力測(cè)繪科技有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

城市1∶500 地形圖測(cè)量是基礎(chǔ)地形圖測(cè)繪工作中要求最高、工作量最大的測(cè)繪工作。但因其含有詳細(xì)的地形地物要素，又是城市規(guī)劃、土地管理等工作必不可少的基礎(chǔ)資料。目前，該項(xiàng)工作主要是利用全站儀、RTK 儀器等傳統(tǒng)方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)需要分成很多小組進(jìn)行，工作量較大，對(duì)人員的數(shù)量和技術(shù)能力都有很高要求，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)成果質(zhì)量較差、精度分布不均勻和后期外業(yè)調(diào)繪工作量極大等問題。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作為近年來測(cè)繪領(lǐng)域的熱點(diǎn)新技術(shù)，主要利用多鏡頭傾斜相機(jī)搭載無人飛行平臺(tái)，打破傳統(tǒng)無人機(jī)航飛只能從垂直角度獲取數(shù)據(jù)信息的局限，能夠快速獲取不同角度影像數(shù)據(jù)，建立實(shí)景三維模型，從而真正將外業(yè)實(shí)景和計(jì)算機(jī)相結(jié)合。

國(guó)內(nèi)外對(duì)此 做了很多研究，《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》（CH/T 9016—2012）中明確，三維地理信息模型是指能可視化反映有關(guān)地理要素在立體空間中的位置、幾何形態(tài)、表面紋理及其屬性的信息，包括各種地上主要地理信息的外表及地下空間，不含地上各建筑物地理信息內(nèi)部[1]。朱慶、徐冠宇、杜志強(qiáng)等在《傾斜攝影測(cè)量技術(shù)綜述》[2]一文中應(yīng)用新型多線（面）陣、多角度數(shù)碼相機(jī)（如ADS40/80、SWDC-5 等）為多視影像和大角度影像的獲取提供了可能；同時(shí)高性能傾斜攝影測(cè)量處理系統(tǒng)（OPS，如Pictometry、MultiVision 等）的不斷改進(jìn)讓傾斜影像的處理更加便利。利用最新的裸眼三維測(cè)圖技術(shù)開展內(nèi)業(yè)測(cè)量，可生產(chǎn)出滿足精度的1∶500 地形圖。

本文以河南思拓力測(cè)繪科技有限公司承接的湖北某市城區(qū)30 平方公里1 ∶500 測(cè)圖項(xiàng)目為例，研討整個(gè)項(xiàng)目作業(yè)過程，并對(duì)項(xiàng)目成果質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，以論證無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在1∶500 地形圖測(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 技術(shù)流程

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展1∶500 地形圖測(cè)量的技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 技術(shù)流程

（1）區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)的精度符合以及補(bǔ)增控制點(diǎn)觀測(cè)，提供合格的控制資料。

（2）采用多鏡頭數(shù)碼航攝儀帶 POS（IMU/GPS）輔助航攝系統(tǒng)，實(shí)施優(yōu)于0.03 米地面分辨率的航空攝影。

（3）通過空三加密計(jì)算，利用建模軟件生產(chǎn)實(shí)景三維模型。

（4）采用裸眼立體數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪1∶500數(shù)字線劃圖（DLG），利用DLG 套合影像進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)、編輯整理。

（5）利用測(cè)圖成果文件編輯生成數(shù)字高程模型，制作正射影像圖。

（6）將最終數(shù)字線劃圖進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)。

3 項(xiàng)目實(shí)施及具體工作方案

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于湖北省某地區(qū)，地處長(zhǎng)江北岸，江漢平原東向邊緣，地勢(shì)東南高、西北低，沿河高、腹部低，東北局部丘崗星羅棋布，小湖交錯(cuò)，港汊縱橫，東南部、南部及西部為江河沖積平原以及由湖泊淤積而成的寬闊平原，地勢(shì)平坦，其高程在海拔20.7 ～26 米之間，總面積約30 平方公里，工期為3 個(gè)月。測(cè)區(qū)概況如圖2 所示。

圖2 測(cè)區(qū)概況

3.2 技術(shù)要求

建筑物模型的高度與平面尺寸應(yīng)與實(shí)際保持一致比例，建筑物模型高度誤差不能超過10%[1]。數(shù)字線劃圖精度應(yīng)滿足城市規(guī)劃建設(shè)1∶500 地形圖的需要。圖根點(diǎn)相對(duì)于圖根起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不應(yīng)大于5cm；地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不能超過0.25m；鄰近地物點(diǎn)間距中誤差不超過0.20m；圖根點(diǎn)相對(duì)于圖根起算點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.05m ；高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.17m[3]。

3.3 外業(yè)航飛數(shù)據(jù)獲取

3.3.1 航飛設(shè)備

測(cè)區(qū)已有D 級(jí)、E 級(jí)控制網(wǎng)可直接使用，外業(yè)飛行平臺(tái)采用大疆生產(chǎn)的專業(yè)六軸飛行器M600Pro，無風(fēng)環(huán)境飛行速度為18m/s，最高飛行高度2500 米。航攝儀采用成都睿鉑RIY-DG3 五鏡頭傾斜相機(jī)，這是目前市面質(zhì)量最輕的APS-C 畫幅傾斜相機(jī)，鏡頭使用復(fù)消色差技術(shù)，能夠大幅度提高鏡頭的銳度值，有助于與空三建模同名點(diǎn)匹配；正攝相機(jī)等效焦距為40mm，傾斜相機(jī)等效焦距為60mm，傾斜/正攝鏡頭比值為1.5倍，保證了傾斜和正攝采集分辨率基本一致。航飛設(shè)備如圖3 所示。

圖3 航飛設(shè)備

3.3.2 飛行計(jì)劃

測(cè)區(qū)面積約30 平方公里，大疆M600Pro 一個(gè)架次飛行面積約為0.35 平方公里。為保證測(cè)區(qū)內(nèi)重疊度，飛行時(shí)需外擴(kuò)飛行高度80%的距離。計(jì)算得出飛行總架次約為126 架次。航高根據(jù)地表采樣精度3cm 計(jì)算為214 米，地表采樣精度4cm，飛行高度280 米。飛行計(jì)劃如圖4 所示。

3.3.3 像控點(diǎn)布設(shè)

外業(yè)像控點(diǎn)是數(shù)字三維模型精度的來源，為保證三維模型的數(shù)學(xué)精度，根據(jù)數(shù)字傾斜三維模型地籍測(cè)量項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，采取飛行之前人工噴涂的方式布設(shè)像控點(diǎn)，布設(shè)間距控制在200 米左右。

3.4 數(shù)據(jù)處理及實(shí)景三維模型輸出

將外業(yè)航飛采集的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)處理軟件，檢查測(cè)區(qū)重疊度及照片質(zhì)量。對(duì)于重疊度不合格及照片質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的架次及時(shí)重飛。

圖4 飛行計(jì)劃

將預(yù)處理好的原始影像及POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件進(jìn)行處理。經(jīng)過空三計(jì)算、刺點(diǎn)、模型生產(chǎn)等步驟。利用ContextCapture 軟件進(jìn)行三維重建，通過多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配以及真正射糾正[2]，利用計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行計(jì)算，最終獲取生成osgb 格式的實(shí)景三維模型?？杖Ｈ鐖D5 所示，實(shí)景三維模型如圖6 所示。

圖5 空三建模

圖6 實(shí)景三維模型

3.5 裸眼三維測(cè)圖

將得到的DOM 和三維模型在EPS3D Survey 中經(jīng)過簡(jiǎn)單的格式轉(zhuǎn)換后進(jìn)行加載。按照1∶500 測(cè)圖規(guī)范要求，快速進(jìn)行模型瀏覽和全要素DLG 數(shù)據(jù)采集，并同步編輯屬性，最后的成果直接入庫(kù)。測(cè)圖流程如圖7所示。

圖7 測(cè)圖流程

在實(shí)景三維模型下進(jìn)行測(cè)量采集，可對(duì)模型進(jìn)行各種角度的調(diào)整，以便采集的點(diǎn)位更加準(zhǔn)確，采集信息更加全面，極大地減少后期外業(yè)調(diào)繪的工作量。裸眼三維采集如圖8 所示。

圖8 裸眼三維采集

3.6 外業(yè)調(diào)繪與圖幅整飾

外業(yè)調(diào)繪按外業(yè)規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行。調(diào)繪內(nèi)容包括測(cè)量控制點(diǎn)、獨(dú)立地物、居民地、道路、水系、管線、垣柵、工礦建（構(gòu)）筑物及其他設(shè)施、植被、地貌要素、居民地名稱及各種注記說明調(diào)繪，以及新增地物的補(bǔ)測(cè)等。外業(yè)調(diào)繪結(jié)束后將內(nèi)容上傳到DLG中，同時(shí)對(duì)DLG 圖面進(jìn)行整理。

3.7 作業(yè)方法比較

如果采用傳統(tǒng)方法開展1∶500 地形圖測(cè)量，假設(shè)投入30 名技術(shù)人員，3 人為一個(gè)測(cè)量小組，每組每個(gè)月完成0.7 平方公里測(cè)圖任務(wù)，那么，完成30 平方公里項(xiàng)目大約需要4.5 個(gè)月，如果考慮天氣因素對(duì)外業(yè)工作的影響，工期將會(huì)更長(zhǎng)。

而利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展1∶500 地形圖測(cè)量，前期外業(yè)航飛及像控測(cè)量只需投入4 名技術(shù)人員，數(shù)據(jù)處理三維建模投入1 名技術(shù)人員，內(nèi)業(yè)采集投入10 名技術(shù)人員。各工作環(huán)節(jié)可以相互交叉，不等前一項(xiàng)工作完成即可開展下一階段工作；大量工作轉(zhuǎn)入室內(nèi)作業(yè)，不受天氣影響，極大保證項(xiàng)目進(jìn)度，可確保3 個(gè)月內(nèi)完成任務(wù)。

此外，和傳統(tǒng)方法相比，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的DLG 成果，極大減少了外業(yè)調(diào)繪工作量，以前1∶500 測(cè)圖需要耗費(fèi)大量時(shí)間的房檐改正等工作無需再做，很多路名、地名在內(nèi)業(yè)采集時(shí)已經(jīng)識(shí)別，外業(yè)調(diào)繪工作相對(duì)簡(jiǎn)單。

4 精度檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作業(yè)的成果精度和質(zhì)量，采用全站儀和RTK 開展野外作業(yè)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，隨機(jī)選取地物點(diǎn)進(jìn)行平面精度、高程精度、間距精度檢驗(yàn)，并邀請(qǐng)河南省質(zhì)檢部門對(duì)最終成果進(jìn)行了質(zhì)檢。

4.1 平面點(diǎn)精度和高程點(diǎn)精度要求

一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地形攝影測(cè)量的基本精度如表1 所示。

表1 一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地形攝影測(cè)量的基本精度

4.2 平面精度檢查

在測(cè)區(qū)平地、丘陵地任意選取10 個(gè)地物點(diǎn)，采用GPS（思拓力S3）進(jìn)行高精度檢測(cè)。平面精度檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 平面精度檢測(cè)結(jié)果

4.3 高程精度檢查

在測(cè)區(qū)平地任意選取10 個(gè)注記點(diǎn)，采用GPS（思拓力S3）進(jìn)行高精度檢測(cè)。高程精度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 高程精度檢測(cè)結(jié)果

4.4 結(jié)果分析

分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)完成的1∶500 測(cè)圖項(xiàng)目，平面和高程精度均滿足相關(guān)規(guī)范要求，個(gè)別點(diǎn)位精度超限是由于通視度不夠、三維模型質(zhì)量下降造成的，可在后期調(diào)繪時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)改正。

5 結(jié)論

本文將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于1∶500 城市地形圖測(cè)繪中，以30 平方公里的實(shí)際項(xiàng)目為例進(jìn)行驗(yàn)證，項(xiàng)目精度和質(zhì)量均滿足相關(guān)規(guī)范要求，證明了該技術(shù)應(yīng)用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展1∶500 地形圖測(cè)量的優(yōu)勢(shì)有：①外業(yè)技術(shù)人員投入和成圖時(shí)間大幅度減少；②模型數(shù)據(jù)處理主要靠計(jì)算機(jī)完成；③內(nèi)業(yè)全要素采集時(shí)可采集信息非常全面；④極大降低了外業(yè)調(diào)繪工作量；⑤用航測(cè)方法測(cè)繪高程精度達(dá)到規(guī)范要求；⑥全圖精度統(tǒng)一均勻，不受外業(yè)技術(shù)人員水平影響。但是，利用該技術(shù)，地物遮擋嚴(yán)重或紋理單一時(shí)模型效果不好，存在空洞、拉花等現(xiàn)象，影響內(nèi)業(yè)矢量采集判斷，無法保證精度，需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。