陳廷鈞

【摘? 要】論文利用控制變量法，通過試驗分析和測試相機傾角對模型質(zhì)量的影響，地面分辨率、像控點布設(shè)方案等因素對傾斜攝影三維模型在地籍測繪應(yīng)用中地物點精度的影響。相機傾角越大，建模的質(zhì)量越好，地面分辨率與地物點精度成正相關(guān)，像控點數(shù)量與地物精度成正相關(guān)。當像控點以單倍航高至兩倍航高之間的距離為格網(wǎng)間距均勻布設(shè)，地面分辨率優(yōu)于2.0cm，可以滿足地物點精度優(yōu)于5cm，能夠應(yīng)用于地籍測繪以及大比例尺地形圖測繪。

【Abstract】Using the control variable method， through experiments， this paper analyzes and measures the influence of the tilt angle of the camera on the model quality， and the influence of ground resolution， image control points layout scheme and other factors on the accuracy of ground object points in the application of tilt photography 3D model in cadastral surveying and mapping. The larger the camera angle is， the better the quality of modeling is. The ground resolution is positively correlated with the accuracy of ground object points， and the number of image control points is positively correlated with the accuracy of ground objects. When the image control points are evenly arranged with the distance between single flight height and double flight height as the grid spacing， the ground resolution is better than 2.0 cm， which can meet the requirements that the accuracy of ground object points is better than 5 cm， and can be applied to cadastral surveying and mapping and large-scale topographic map surveying and mapping.

【關(guān)鍵詞】傾斜攝影;地面分辨率;像控點測量;精度分析;地籍測繪

【Keywords】tilt photography; ground resolution; image control point measurement; accuracy analysis; cadastral surveying and mapping

【中圖分類號】P271;P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0141-05

1 引言

傾斜攝影測量技術(shù)[1]是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其主要通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，并建立地表三維模型，實現(xiàn)定位、量測等測繪功能。與傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)[2]及低空數(shù)字攝影測量技術(shù)[3]相比，斜攝影測量技術(shù)具有高精度、高動態(tài)、高效率、高精細等優(yōu)點。董富強等[4]在小面積范圍內(nèi)研究論述了傾斜攝影測量技術(shù)在精細化建模中應(yīng)用的可行性。喜文飛等[5]通過對困難地區(qū)的傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用，驗證了傾斜攝影測量在數(shù)字測圖方面的應(yīng)用價值。莫寅[6]介紹了傾斜攝影技術(shù)在地形測繪應(yīng)用中的流程及方法。馬靜等[7]論述了傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪應(yīng)用的實施過程及其精度分析。張文靜等[8]結(jié)合地籍測量的特點，進行了傾斜攝影測量在地籍測繪中應(yīng)用的可行性分析。馬銀等[9]對傾斜攝影測量技術(shù)在地籍測量中的應(yīng)用進行了精度驗證，驗證了傾斜攝影技術(shù)可應(yīng)用于地籍測量。以上研究論述了傾斜攝影測量技術(shù)在地形測繪，尤其是大比例尺測繪和地籍測量中應(yīng)用的可行性，并介紹了傾斜攝影在地籍測量的實施過程，但沒有就如何達到地籍測量所需的精度進行分析。此外，目前市場上多鏡頭傾斜相機價格昂貴。為此，本文探索了非量測數(shù)碼相機在傾斜攝影測量中應(yīng)用的可行性，并利用控制變量法，測試和分析不同的地面分辨率及不同像控點布設(shè)方案兩個主要因素對地籍測量精度的影響，并提出在實際生產(chǎn)中所需的經(jīng)驗值，為今后應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)實施地籍測繪提供參考，并指導(dǎo)作業(yè)。

2 傾斜攝影測量技術(shù)概述

2.1 傾斜攝影測量技術(shù)的原理特點

傳統(tǒng)航空攝影測量（垂直攝影）的基本原理是根據(jù)攝影測量過程的幾何反轉(zhuǎn)思想，利用光學(xué)、機械、數(shù)字方法模擬攝影過程，以模擬恢復(fù)攝影時相鄰兩張相片的空間位置、姿態(tài)和相互關(guān)系，形成幾何模型，并在此基礎(chǔ)上進行量測。由于受光學(xué)和模擬立體測圖儀器機械結(jié)構(gòu)的限制，為滿足相應(yīng)的量測精度，需嚴格恢復(fù)照片的空間關(guān)系，因此，要求航空攝影時的飛機姿態(tài)和相機姿態(tài)盡可能保持垂直攝影的要求，對相機的畸變也有嚴格要求。

傾斜攝影測量技術(shù)的原理[10]是基于計算機視覺和影像匹配，通過對采集的圖片或視頻進行處理以獲得相應(yīng)場景的三維信息。由于計算機的相關(guān)技術(shù)發(fā)展以及傾斜攝影的技術(shù)特點，其量測精度更多的是與影像匹配、模型精度有關(guān)，對航空攝影時飛機和相機的姿態(tài)均沒有特別要求，只需保證同一地物在三張以上的影像可視即可利用計算機視覺技術(shù)恢復(fù)其三維信息。

2.2 搭配索尼A5100相機的五鏡頭相機

當前，市場上多鏡頭傾斜相機價格昂貴，而傾斜攝影測量技術(shù)原理是基于計算機視覺與影像匹配技術(shù)獲取地物的三維信息，模型的實現(xiàn)對飛機姿態(tài)及相機姿態(tài)沒有特別要求?；诖耍剿饕肽壳笆袌鰞r格較親民的索尼A5100相機，配置一個焦距25mm的垂直攝影相機與四個焦距為35mm的傾斜相機進行試驗。

2.3 傾斜攝影測量技術(shù)的處理流程

傾斜攝影測量技術(shù)在地籍測繪中應(yīng)用的技術(shù)流程與傳統(tǒng)航空攝影測量相似，主要包含：測區(qū)踏勘制定方案、原始數(shù)據(jù)采集、三維建模模型采集、調(diào)繪補測、成圖輸出。具體流程如圖1所示。

3 不同影響因素的精度分析

本次影響因素分析試驗測區(qū)位于莆田市某鄉(xiāng)村，面積約0.2km2。測區(qū)地勢平坦，房屋密集，周邊最高層建筑不超過50m，空域情況良好，具備不同航高測試飛行條件。為了給該鄉(xiāng)村提供供調(diào)查使用的地籍地形圖，本次測繪要求繪制該鄉(xiāng)村的1∶500地形圖。測區(qū)如圖2所示。

3.1 非量測數(shù)碼相機生成的模型質(zhì)量分析

傾斜攝影實景三維模型的質(zhì)量影響[11]主要表現(xiàn)在兩個方面：模型紋理以及場景效果。結(jié)合CH/T 9024—2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗收》[12]相關(guān)規(guī)定對模型進行質(zhì)量分析。詳細檢查內(nèi)容如表1所示。

本次試驗使用A5100配置的五鏡頭相機對測區(qū)進行航攝，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)三維模型，利用人機交互方式對模型質(zhì)量進行分析。檢查結(jié)果如下：模型質(zhì)量上，模型與現(xiàn)實較為符合，存在電力線的等細長條模型連貫性不足、河流水面出現(xiàn)破洞、高層建筑模型失真、房屋屋檐下方出現(xiàn)拉花等問題。場景效果上，模型接近現(xiàn)實，存在樹木花草拉花較嚴重、模型出現(xiàn)懸浮點等問題。

上述問題皆為傾斜攝影三維模型的共性問題，利用非量測相機生產(chǎn)的模型質(zhì)量與現(xiàn)實場景較為符合，能夠反映現(xiàn)實場景的基本情況，其模型質(zhì)量良好，能作為實際生產(chǎn)使用。在實際生產(chǎn)中，利用普通的非量測數(shù)碼相機能夠生產(chǎn)出質(zhì)量良好的三維模型。

3.2 不同傾角對建模效果的影響

當在其他參數(shù)一致的情況下，相機的傾角越大，鏡頭的視場線與墻面的夾角越大，則鏡頭相對墻面越水平。在針對建筑物信息的采集時，能夠采集更豐富的墻面信息，建立的模型效果也更好，紋理則更清晰。傾角與視場線、墻面夾角的關(guān)系如圖3所示，紅色表示傾角β1，藍色表示傾角β2。由于相機的視場不變，當傾角增大時，影像所采集到的墻面信息更豐富，相反所采集到地面信息就會減少。為增加地面信息，則需要通過外擴航飛區(qū)以滿足建模需求。

結(jié)合圖3與表2對比可以看出當傾角增大時，影像所采集到的建筑細節(jié)更豐富，房檐拉花較小。理論上當相機傾角達到90°時，影像所獲取到的建筑物信息最為豐富，建模效果最好。由于實際生產(chǎn)中，其他建筑物的遮擋，以及傾角增大帶來航線外擴等問題的影響，一般傾斜相機普遍采用45°作為傾角，規(guī)劃外擴一個航高距離的航線以進行實際作業(yè)。

3.3 不同像控點布設(shè)方案對地物精度的影響

根據(jù)傾斜攝影三維模型的特點，為了保障三維模型的絕對定向[13]精度，與傳統(tǒng)的垂直攝影測量沿航線布設(shè)像控點的方案不同，傾斜攝影測量像控點的布設(shè)方案與航線數(shù)量及基線數(shù)量無關(guān)，一般采用“田”字形或者“日”字形均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)。理論上每個矩形區(qū)域只需要4個控制點即可完成絕對定向。考慮到非量測相機畸變以及實際測量的誤差對精度的影響，本文分別測試了“田”字形布設(shè)、兩倍航高距離為格網(wǎng)間距布設(shè)及單倍航高距離為格網(wǎng)間距布設(shè)三種布設(shè)方案對地物精度的影響。三種布設(shè)方案如圖4所示。

像控點利用GPS-RTK測量技術(shù)進行測量，其主要精度指標如表3所示。

為了驗證三種像控布設(shè)方案對地物點精度的影響，在測區(qū)均勻利用傳統(tǒng)測量技術(shù)（GPS-RTK測量）均勻采集檢查點。采用地面分辨率優(yōu)于2cm的航攝成果，通過三維建模后，分析在不同像控點布設(shè)方案下的誤差情況。精度驗證結(jié)果如表4所示。

根據(jù)地籍測量要求平面中誤差小于±5cm，因此，傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地籍測量時，其像控布設(shè)方案最好控制在單倍航高至兩倍航高之間，一般不超過兩倍航高間距。

3.4 不同地物分辨率（航高）對地物點精度的影響

本次試驗配置的五鏡頭A5100相機皆采用定焦鏡頭，其中垂直鏡頭焦距f=25mm，傾斜鏡頭焦距f=35mm，像元大小a=0.0043mm。由式（1）可知，其他因素不變，決定分辨率為相對航高，為測試在5cm、3cm、2cm、1.5cm四種不同地面分辨率下地物點的誤差情況，其對應(yīng)航高分別為290m、174m、116m、87m，為控制由于不同像控點方案對精度的影響，本次試驗采用以約100m為間距均勻布設(shè)像控點。經(jīng)由不同的分辨率航攝照片分別進行建模，并與實際地物特征點全站儀實測進行比對，以驗證其精度情況，如表5所示。

從表6可以得出，當?shù)孛娣直媛蔬_到2cm后，地物點的中誤差已經(jīng)可以滿足地籍測量中誤差小于±5cm的要求。當再提升地面分辨率至1.5cm，對地物點精度的提升有限，其原因在于像控點的采集主要采用GPS-RTK的方法進行采集，其所采集的像控點成果一般在平面±3cm，高程±5cm的精度范圍。由于像控點本身精度原因?qū)δＰ偷木仍斐上拗?。因此，傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地籍測量時，其地面分辨率最好控制在優(yōu)于2cm，可達到其精度要求。

4 結(jié)語

本文利用大疆M600pro無人機搭配根據(jù)索尼A5100配置的五鏡頭相機，結(jié)合傾斜攝影測量的技術(shù)原理探索了利用普通的非量測相機進行傾斜攝影測量的可行性，對傾斜攝影測量的主要影響因素對地物點精度的影響進行了分析，得到了如下主要結(jié)論：

通過對索尼A5100配置的五鏡頭相機航攝生產(chǎn)的三維模型的質(zhì)量分析，普通的非量測數(shù)碼相機在實際生產(chǎn)中能建立質(zhì)量良好的三維模型，能夠應(yīng)用在傾斜攝影測量三維模型的實際項目中;利用控制變量法，通過對實際測試的結(jié)果進行質(zhì)量分析，相機鏡頭的傾角越大，獲得的模型質(zhì)量越好;地面分辨率與地物點精度成正相關(guān);像控點數(shù)量與地物精度成正相關(guān)。

在地籍測繪中，當像控點以飛行單倍航高至兩倍航高之間的距離為格網(wǎng)間距均勻布設(shè)，地面分辨率優(yōu)于2.0cm，可以滿足地物點精度優(yōu)于5cm，因此，能夠應(yīng)用于地籍測繪以及大比例尺地形圖測繪。

后續(xù)研究可更加深入地探討其他因素對地物點精度的影響，如相機焦距對地物點精度的影響、相機校正參數(shù)對地物點精度的影響、飛機POS精度對地物點的影響、光線對模型質(zhì)量以及地物精度的影響以及各項影響因素的影響權(quán)重等，提出準確有效的避免或者減輕各種影響因素的方法，如搭配差分POS系統(tǒng)以獲取高精度POS等。

【參考文獻】

【1】張祖勛，張劍清.城市建模的途徑與關(guān)鍵技術(shù)[J].世界科技研究與發(fā)展，2003（3）：23-29.

【2】張平，劉怡，蔣紅兵，等.基于傾斜攝影技術(shù)的“數(shù)字資陽”三維建模及精度評定[J].測繪，2014，37（3）：115-118.

【3】徐芳，鄧非.數(shù)字攝影測量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2017.

【4】董富強，喜文飛.基于傾斜攝影測量的三維精細建模研究-以睿智五號樓為例[J].測繪與空間地理信息，2019，42（12）：65-70.

【5】喜文飛，彭仁偉.基于傾斜攝影測量技術(shù)的困難地區(qū)測圖研究[J].北京測繪，2020，34（1）：65-68.

【6】莫寅.基于無人機傾斜攝影測量的大比例尺地形圖測繪方法[J].北京測繪，2020，34（01）：79-82.

【7】馬靜，石瑩.淺談傾斜攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用[J].測繪標準化，2017，33（3）：46-48.

【8】張文靜，尉青梅，趙帥.傾斜攝影測量在地籍測量中的應(yīng)用研究[J].測繪技術(shù)裝備，2019，21（4）：5-10.

【9】馬銀，鄭國強，姚國標，等.基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量及精度驗證[J].測繪工程，2019，28（1）：67-72.

【10】趙元務(wù).無人機傾斜攝影測量在農(nóng)村房地一體測量中的應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2018.

【11】張?zhí)?，王煒，鄧強，黃玉清，等.傾斜攝影實景三維模型質(zhì)量評價[J].北京測繪，2020，34（1）：56-60.

【12】CH/T 9024—2014 三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗收[S].

【13】詹長根，唐祥云，劉麗.地籍測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2011.