龐長有 王奎 李忠朋

（1.河南思拓力測繪科技有限公司，河南 鄭州 450000；2.洛陽申達(dá)測繪工程有限公司，河南 洛陽 471000）

1 引言

多年來，地形測繪、地籍調(diào)查等主要采用人工實地采集方式開展，國家投入大量人力、物力，但這種投入已不能滿足國家發(fā)展需要。區(qū)域的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過測繪速度，測繪成果難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)生活需求。隨著科技的發(fā)展，測繪行業(yè)對地理信息數(shù)據(jù)的精確性、時效性要求越來越高，人工和時間成本給行業(yè)帶來了巨大壓力和負(fù)擔(dān)。傾斜攝影測量是近年來興起的一項新技術(shù)，能夠更真實、快速地反映地面客觀情況，同時高效的三維建模極大滿足了人們對三維信息的需求，具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作靈活等優(yōu)勢[1]。

2 傾斜攝影測量的技術(shù)特點及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜攝影測量的技術(shù)特點

（1）反映地物真實情況，且能對地物進(jìn)行測量。利用傾斜攝影測量技術(shù)獲得的三維數(shù)據(jù)可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強了三維數(shù)據(jù)的真實感，彌補了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點[2]。

（2）高性價比。傾斜攝影測量數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可測量影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、DLG 等成果，滿足傳統(tǒng)航空攝影測量且能獲取更多數(shù)據(jù)。同時，使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能有效降低城市三維建模成本。

（3）高效率。傾斜攝影測量技術(shù)借助航測無人機等可快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化三維建模。實驗證明：利用傳統(tǒng)測量方式1 ～2 年完成的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術(shù)只需3 ～5 個月[3]。

2.2 傾斜攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 多視影像聯(lián)合平差

多視影像包含垂直攝影數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)。部分傳統(tǒng)空中三角測量系統(tǒng)無法較好處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，因此，多視影像聯(lián)合平差需考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合POS 系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進(jìn)行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點匹配結(jié)果。同時，建立連接點和連接線、控制點坐標(biāo)、GPU/IMU 輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算確保平差結(jié)果的精度。

2.2.2 多視影像密集匹配

影像匹配是攝影測量的基本問題之一，多視影像具有覆蓋范圍大、分辨率高等特點。如何在匹配時充分考慮冗余信息，快速準(zhǔn)確獲取多視影像上的同名點坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關(guān)鍵。單獨使用一種匹配基元或策略難以獲取建模需要的同名點，因此，近年來多基元、多視影像匹配逐漸成為人們研究的焦點，且已取得較大進(jìn)展，如建筑物側(cè)面的自動識別與提取。通過搜索多視影像上的特征，如建筑物邊緣、墻面邊緣和紋理，來確定建筑物的二維矢量數(shù)據(jù)集，影像上不同視角的二維特征可轉(zhuǎn)化為三維特征。在確定墻面時，可設(shè)置若干影響因子并給予一定權(quán)值，將墻面分為不同的類，將建筑的各個墻面進(jìn)行平面掃描和分割，獲取建筑物的側(cè)面結(jié)構(gòu)，再對側(cè)面進(jìn)行重構(gòu)，提取建筑物屋頂?shù)母叨群洼喞?/p>

2.2.3 數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正

多視影像密集匹配能得到高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型DSM，充分表達(dá)地形地物起伏特征，是新一代空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容。由于多角度傾斜影像間的尺度差異較大以及遮擋和陰影等問題，基于傾斜影像自動獲取DSM 較難，可根據(jù)自動空三解算的各影像外方位元素，選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行特征匹配和逐像素級的密集匹配，引入并行算法，提高計算效率。在獲取高密度DSM 數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波處理，將不同匹配單元進(jìn)行融合，形成統(tǒng)一的DSM。多視影像真正射糾正涉及物方連續(xù)的數(shù)字高程模型、大量離散分布粒度差異大的地物對象以及海量的像方多角度影像，具有典型的數(shù)據(jù)密集和計算密集特點。在有DSM 的基礎(chǔ)上，根據(jù)物方連續(xù)地形和離散地物對象的幾何特征，通過輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取物方語義信息；同時在多視影像上，通過影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取像方語義信息，再根據(jù)聯(lián)合平差和密集匹配結(jié)果建立物方和像方的同名點對應(yīng)關(guān)系，繼而建立全局優(yōu)化采樣策略和顧及幾何輻射特性的聯(lián)合糾正，同時進(jìn)行整體勻光處理。

3 傾斜攝影測量在農(nóng)房不動產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 項目概述

為檢驗傾斜攝影測量在農(nóng)房不動產(chǎn)中的使用效果，測試以固定翼無人機為載機時，睿鉑DG4pros 五鏡頭相機獲取的素材生產(chǎn)的模型，能否在不使用控制點的條件下，滿足此次農(nóng)村不動產(chǎn)測繪工作的要求。

項目位于河南省信陽市羅山縣尤店鄉(xiāng)羅洼村，測區(qū)整體地勢平坦，總面積約0.2 平方千米，建筑多為1 ～3 層低矮房屋，地形高差在30 米以內(nèi)，地物類型包含低矮房屋、農(nóng)田、樹林及池塘等。

3.2 技術(shù)流程

項目技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 技術(shù)流程

3.2.1 外業(yè)采集

（1）準(zhǔn)備工作

踏勘測區(qū)，根據(jù)測區(qū)情況按照無人機航攝作業(yè)要求和無人機航攝系統(tǒng)技術(shù)要求，制定合理的航飛計劃和測量技術(shù)方案，合理調(diào)配人員和儀器。施測前檢校所有儀器，檢核控制點數(shù)據(jù)，并對測圖軟件、數(shù)據(jù)采集軟件及其全部通信連接進(jìn)行試運行檢查，確保無誤。收集整理測區(qū)已有的測繪成果，包括控制成果點不少于4 個，當(dāng)?shù)谻ORS 和測區(qū)的谷歌影像圖。傾斜攝影飛行計劃按照要求布設(shè)正射影像，以及4 個不同方向的傾斜影像設(shè)置飛行航線。

（2）飛行的質(zhì)量要求

傾斜影像的產(chǎn)品規(guī)格要求如表1 所示。

表1 傾斜影像的產(chǎn)品規(guī)格

像片重疊度應(yīng)滿足以下要求：航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不應(yīng)小于53%；旁向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不應(yīng)小于60%。航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于兩條基線。旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線應(yīng)不少于像幅的50%；在便于施測像片控制點及不影響內(nèi)業(yè)加密時，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的30%。

航攝中出現(xiàn)的相對漏洞和絕對漏洞均應(yīng)采用前一次航攝飛行的數(shù)碼相機及時補攝，補攝航線的兩端應(yīng)超出漏洞之外兩條基線[4]。

（3）影像質(zhì)量要求

①影像要清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和；可辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，建立清晰立體模型。②影像上不應(yīng)有云、云影、煙、大面積反光、污點等缺陷。如存在少量缺陷但不影響立體模型的連接和測繪，可用于測制線劃圖。③因無人機低速影響，在曝光瞬間造成的像點位移一般不應(yīng)大于1 個像素，最大不應(yīng)大于1.5 個像素。④拼接影像應(yīng)無明顯模糊、重影和錯位現(xiàn)象。

（4）像控點的布點、選點方案

像片控制測量是在測區(qū)實地測定用于空中三角測量或直接用于測圖定向的像片控制點平面位置和高程。像片控制測量的布點方案為全野外布點和特殊情況布點。全野外布點是指正射投影作業(yè)、內(nèi)業(yè)測圖定向和糾正作業(yè)所需的全部控制點均由外業(yè)測定。這種方案大比例尺成圖精度較高，但外業(yè)工作量大、生產(chǎn)成本高。

（5）外業(yè)像控點采集

根據(jù)初選控制點進(jìn)行像控點布設(shè)，同時采集平高點坐標(biāo)。外業(yè)像控點的采集按照“先整體后局部，先控制后碎部”的原則進(jìn)行，在首級控制點和加密點基礎(chǔ)上，使用GPS RTK 采集像控點坐標(biāo)。

3.2.2 內(nèi)業(yè)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

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

（2）Smart3D 軟件三維建模

將預(yù)處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過空三計算、刺點、模型生產(chǎn)等步驟，生成osgb 格式的三維模型。

（3）三維立體測圖

EPS 三維測圖軟件是山維科技基于自主知識產(chǎn)權(quán)的GIS 數(shù)據(jù)平臺研發(fā)的三維矢量采編軟件，支持osgb格式的三維模型數(shù)據(jù)一鍵導(dǎo)入，提供三維編輯工具，基于三維模型進(jìn)行立體測圖，三維模型如圖2 所示。

圖2 三維模型

采用EPS 地理信息工作站基礎(chǔ)平臺進(jìn)行裸眼3D立體測圖，測繪與地理信息角度構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，綜合 CAD（計算機輔助設(shè)計，圖形繪制平臺）技術(shù)與 GIS（地理信息系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)管理）技術(shù)，以數(shù)據(jù)庫為核心，將圖形和屬性融為一體，從數(shù)據(jù)生產(chǎn)源頭支持測繪的信息化轉(zhuǎn)變。立體采集工作流程如圖3 所示。

裸眼3D 信息采集對于信息化的DLG 數(shù)據(jù)，表現(xiàn)在完全面向?qū)ο蟮膭討B(tài)符號化且一套數(shù)據(jù)二三維符號化一致、圖屬一體化、圖庫一體化。地理要素均用骨架線+屬性描述方式表示，滿足GIS 建庫與應(yīng)用需求，在顯示與打印環(huán)節(jié)動態(tài)符號化，滿足圖式規(guī)范與制圖需求。

按模型進(jìn)行全要素采集，做到不變形、不移位、無錯漏。采集依比例及用符號表示的地物時，應(yīng)以測標(biāo)中心切準(zhǔn)輪廓線或拐點連接，采集不依比例尺表示地物時，以測標(biāo)中心切準(zhǔn)基點、結(jié)點、定位線。模型不清楚無法準(zhǔn)確定位時，需在相應(yīng)位置做標(biāo)記以便補測。

圖3 立體采集工作流程

3.3 相對精度驗證

項目使用皮尺和激光測距儀實測房屋21 棟，實測數(shù)據(jù)與模型上測量數(shù)據(jù)對比如表2 所示。實地測量時，某些房屋不便測量，因而一些房屋測量的數(shù)據(jù)組不一致。

表2 實測數(shù)據(jù)與模型測量數(shù)據(jù)對比（單位：m）

由表2 可知，在添加控制點的模型中，房屋尺寸與實測尺寸中誤差DS1=0.0363 m，未添加控制點的模型中，房屋尺寸與實測尺寸中誤差DS2=0.0418 m，兩者均滿足DS ≤10 cm 相對精度要求，但添加控制點的模型相對精度略優(yōu)于未添加控制點的模型。

4 總結(jié)

傾斜攝影測量將基于立體像對和點特征的傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)推向了基于多視影像和對象特征的實時攝影測量技術(shù)?；趦A斜攝影測量的優(yōu)勢可以得出以下結(jié)論：

①傾斜攝影測量技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的農(nóng)房不動產(chǎn)作業(yè)模式，且精度滿足規(guī)范要求，效率高，節(jié)約成本，利于提高企業(yè)效益。

②傾斜攝影測量所得影像數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化成DLG、D0M 與DSM 等不同數(shù)據(jù)格式，且能對數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化等操作，增加了其使用范圍，滿足不同的工程需要。

③傾斜攝影測量技術(shù)具有高效率、高真實性，以及快速獲取海量空間數(shù)據(jù)的特點，傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理過程中對于影像數(shù)據(jù)的匹配和整體三維模型的表達(dá)將趨于成熟，需研究出高精度的影像數(shù)據(jù)匹配方法，去除冗余信息，提高運行效率，增強建模實體效果。

④現(xiàn)代計算機、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得無人機傾斜攝影測量技術(shù)在農(nóng)房不動產(chǎn)測量中得到充分應(yīng)用，提高了工作效率，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，改進(jìn)了原有技術(shù)流程，節(jié)約了測量調(diào)查成本。