基于傾斜攝影測量技術的大比例尺地形圖質量檢驗

曹理想

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著我國城市化建設進程不斷加快，大比例尺地形圖作為城市基礎地理信息數(shù)據資源的重要組成部分，其測制覆蓋范圍不斷加大，更新頻率也不斷提高。大比例尺地形圖成果數(shù)據生產快速增加，這給質量檢驗人員快速、高效、準確地開展質量檢驗工作提出了更高的要求。在大比例尺地形圖的成果質量檢驗中，數(shù)學精度和地理精度仍分別采用外業(yè)數(shù)據檢測和人工外業(yè)巡查[1]。該方法檢驗精度高，結果可靠，但外業(yè)檢測點的采集效率低，地理精度外業(yè)巡查時間長，占用了大量的人力物力資源。

近年來傾斜攝影測量技術迅速發(fā)展[2]，通過獲取多個角度、高重疊度的影像，采用多視影像匹配和聯(lián)合平差算法，輔助一定數(shù)量的像控點，可生成具有較高位置精度和豐富地物紋理信息的實景三維模型，然后在三維模型上直接采集得到滿足精度要求的地形圖成果[3]，該技術已廣泛應用于城市三維模型建設和大比例尺地形圖測繪。本文提出基于傾斜攝影測量技術的大比例尺地形圖質量檢驗的技術方法，進而改進地形圖質量的檢驗流程，更好地提高質量檢驗工作效率。

2 傾斜攝影測量技術原理

無人機傾斜攝影測量技術是近年來遙感測繪領域發(fā)展較為迅速的新興技術之一。通過在同一飛行平臺上搭載一組五鏡頭傾斜相機，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，分為正攝、前視、后視、左視、右視，配合IMU/DGPS獲取高精度的姿態(tài)和位置信息，通過特定的數(shù)據處理軟件進行數(shù)據處理，將所有影像納入統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中，獲取地面物體更為完整準確的信息[4～7]。因此與傳統(tǒng)測量技術相比，傾斜攝影技術具有高效率、高精度和高性價比，其應用也越來越廣泛。

3 應用案例

3.1 項目概況

以某區(qū)東部建成區(qū)1∶1 000地形圖為例，該測區(qū)面積6.7平方千米，地勢平坦，具體范圍大致呈梯形分布，包含物流園區(qū)、職教園區(qū)和居住小區(qū)，以2層～6層為主，少量居住小區(qū)建筑為18層～26層。

3.2 技術流程

目前，大比例尺地形圖質量檢驗中平面、高程精度的檢測點采集主要采用全野外采集的測量方式，工作效率偏低；地理精度評定工作需要的人工全面巡視，外業(yè)巡查工作量大。數(shù)學精度和地理精度的質量評定占據了整個質量檢驗工作中的大部分工作量。鑒于此，本文基于無人機傾斜攝影測量技術，依據項目技術設計及相關技術、檢驗規(guī)范編制了大比例尺地形圖質量檢驗技術方案，具體流程如圖1所示。以無人機傾斜攝影測量替代原有傳統(tǒng)測量手段，提升數(shù)學精度檢測效率，以實景三維影像輔助地理要素進行外業(yè)巡查，大大降低質檢人員工作強度，整體提升大比例尺地形圖測繪成果質量檢驗效率。

圖1 質量檢驗流程圖

3.3 抽取樣本

依據《測繪成果質量檢查與驗收》GB/T 24356-2009規(guī)定，按檢驗批的批量確定抽取5幅樣本圖幅，研究基于傾斜攝影測量技術開展大比例尺地形圖成果數(shù)學精度和地理精度評定的可行性和適用性。

3.4 數(shù)據采集

(1)像控點測量

在傾斜攝影前布設像控點，像控點的目標應清晰、易于判別和立體量測，且應設置在高程起伏較小、易于準確定位和量測的地方[8]。隨著無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)配備IMU/DGPS設備，大大降低了布設密度，像控點按區(qū)域網布設，由于傾斜攝影重疊度高、有多視角影像，計算機密集點云數(shù)據匹配功能強等，外業(yè)布設像控點位基線跨度可適當放寬，一般情況下均布設為平高點，像控點平面坐標和高程利用AHCORS采用RTK方式進行測量。測量像控點的同時應進行檢查點采集，用于評定內業(yè)數(shù)據處理的精度。

(2)傾斜影像獲取

傾斜影像獲取時根據樣本圖幅分布區(qū)域確定飛行范圍，合理規(guī)劃飛行航線，因地勢平坦，建筑物高度均在 80 m以下，考慮到傾斜攝影相機拍攝角度，為保證邊緣物體立體成像，航線覆蓋超出測區(qū)邊界線至少3條航線。最終確定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，飛行高度 150 m。飛行中采用GNSS系統(tǒng)導航，按照航線設計數(shù)據飛行，航空攝影時，飛行要盡可能平穩(wěn)，航線彎曲度不應大于3%。飛行數(shù)據檢查時應保證影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調一致，能夠辨別與地面分辨率相適應的地物影像。

3.5 數(shù)據處理

將預處理后的傾斜影像、POS成果、像控成果等數(shù)據導入到DP-Smart軟件新建工程中進行三維建模。采用多基線特征匹配技術，結合POS數(shù)據生成連接點，利用像控點進行區(qū)域網平差完成空中三角測量，解算出各影像外方位元素[9]。利用軟件提供的并行算法獲得高密度的點云數(shù)據，構建不規(guī)則三角網TIN數(shù)據，并生成白模的三維模型。對生成白模的三維模型賦予紋理，由于傾斜攝影能夠獲取詳細準確的影像與地理信息，再加上先進的定位技術所獲取的影像都具有精確的坐標信息，通過紋理映射，可自動迅速地將影像紋理貼在相對應的三維模型面上，生成基于影像紋理的高分辨率實景三維模型[10]，如圖2所示。

圖2 實景三維模型

3.6 精度評定

(1)數(shù)學精度

根據實地情況，每個樣本圖幅內分別利用全站儀、RTK等傳統(tǒng)方式和基于南方CASS 3D成圖軟件的三維繪圖模式下分別采集平面位置、高程檢測點均不少于32個檢測點與原圖進行比較，實景三維模型采集平面檢測點如圖3所示，平面、高程實測精度對比分析表如表1、表2所示。

圖3 實景三維模型采集平面檢測點

實景三維模型和全站儀實測平面精度對比表 表1

實景三維模型和全站儀實測高程精度對比表 表2

從檢測結果可以得出，采用實景三維模型檢測平面、高程精度略低于采用全站儀等常規(guī)方式檢測平面、高程精度，均滿足地形圖檢測的精度要求。

(2)地理精度

地理精度檢驗主要質量元素有地理要素完整性與正確性、綜合取舍合理性等[11]。傳統(tǒng)檢驗手段均采用人工實地巡視的方式進行，為保證地理精度檢驗的全面性，要求檢驗人員必須對樣本圖幅內地理要素進行全面巡視，這種方式存在工作量大、效率低等缺點。利用實景三維影像對樣本圖幅內的地理要素進行全面檢查，可以快速、直觀地判別地理要素的完整性和正確性等，如圖4所示，兩處室外臺階的部分平臺錯繪制成臺階，且其中一處室外臺階大小錯繪。通過全面比對實景三維影像檢查后，少量重要地理要素輔以人工外業(yè)核實，將外業(yè)巡查的工作強度大大降低，這樣不僅提高工作效率，同時改善了工作環(huán)境。

圖4 實景三維模型輔助檢查

4 結 論

通過對傾斜攝影測量與傳統(tǒng)測量手段獲得的成果數(shù)據分別與原圖進行精度對比，結果表明，傾斜攝影測量手段開展大比例尺地形圖的數(shù)學精度質量檢驗，能夠減少傳統(tǒng)檢驗方式中的平面、高程精度檢測不均勻性，提高質檢效率。實景三維影像輔助地理要素進行外業(yè)巡查，能大大降低質檢人員外業(yè)巡視工作時間，提高外業(yè)地理精度檢驗效率，能夠有效保證地理精度檢驗的全面性。傾斜攝影測量技術適用于大比例尺地形圖成果的數(shù)學精度和地理精度檢驗。