梁榮東

【摘? 要】隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)、激光雷達(dá)等新設(shè)備和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為數(shù)字化大比例尺地形圖測(cè)繪提供補(bǔ)充和優(yōu)化方案。論文以大比例尺地形圖測(cè)繪作為研究方向，分析無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、激光雷達(dá)點(diǎn)云和農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)在成圖過程中的應(yīng)用，以無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為重點(diǎn)進(jìn)行分析，以供參考。

【Abstract】With the progress of science and technology， UAV， lidar and other new equipment and new technologies continue to emerge， providing a supplement and optimization scheme for digital large scale topographic map surveying and mapping. This paper takes large scale topographic map surveying and mapping as the research direction， analyzes the application of UAV tilt photogrammetry technology， lidar point cloud and real estate data of rural real estate integration in the mapping process， and focuses on the analysis of UAV tilt photogrammetry technology， for reference.

【關(guān)鍵詞】?jī)A斜攝影測(cè)量;大比例尺;地形圖

【Keywords】tilt photogrammetry; large scale; topographic map

【中圖分類號(hào)】P217;P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）07-0154-03

1 引言

近年來，我國(guó)以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載不同任務(wù)載荷獲取服務(wù)于地形圖測(cè)繪所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。無人機(jī)搭載五拼相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，構(gòu)建三維模型可以準(zhǔn)確、快速地獲取房屋、大型水閘等構(gòu)筑物的三維立體模型，通過邊線采集，可以獲取高精度矢量數(shù)據(jù)。無人機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá)，獲取相關(guān)地區(qū)高密度雷達(dá)點(diǎn)云，通過點(diǎn)云連線即可獲取有效矢量數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)對(duì)植被具有一定的穿透能力，可以減少植被枝葉遮擋造成的信息失真，獲取林區(qū)的真實(shí)地形數(shù)據(jù)。而對(duì)于樹木遮擋嚴(yán)重的農(nóng)村區(qū)域，我們可以通過各地已經(jīng)完成的農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)登記測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。近期安徽省第四測(cè)繪院綜合運(yùn)用以上相關(guān)技術(shù)完成了安徽省全椒縣的數(shù)字化大比例尺地形圖測(cè)繪，本文以此為例，展開研究。

2 數(shù)字航空攝影測(cè)量地形圖

航空攝影測(cè)量獲取航空影像是本項(xiàng)目的主要作業(yè)方式和數(shù)據(jù)來源，經(jīng)典技術(shù)流程如圖1所示。

3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量概述

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，特別是后處理軟件的逐漸成熟，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于房屋調(diào)查登記、文物保護(hù)、水利等領(lǐng)域，以無人機(jī)為依托，搭載五拼相機(jī)，合理設(shè)置拍照模式、分辨率、重疊度等相關(guān)參數(shù)，在保證安全的前提下，軟件自主控制飛行。飛機(jī)返航后，通過下載數(shù)據(jù)，人們可以獲取到1個(gè)下視和4個(gè)斜視的五視角照片，將獲取到的照片導(dǎo)入專業(yè)軟件進(jìn)行處理，通過計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)圖像信息進(jìn)行分析、處理結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量工作，得到高精度三維立體模型，最終完成高精度三維建模，生成空間三維模型。這也是一種地形反映方式，能夠精準(zhǔn)獲取地形、地物信息。

3.1 意義

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有靈活、高效、低成本高精度等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)的一些不足。該項(xiàng)目前期航攝到內(nèi)業(yè)初步成圖歷經(jīng)數(shù)月，部分地區(qū)地形地貌發(fā)生較大變化，部分造型奇特的別墅區(qū)已建成，測(cè)區(qū)內(nèi)還分布有寺廟等古建筑，傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)很難準(zhǔn)確獲取此類建筑物的準(zhǔn)確空間信息，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，制作建筑物三維模型、生成地形等高線、點(diǎn)，通過采集，可以起到補(bǔ)測(cè)作用，提高質(zhì)量和效率。

3.2 優(yōu)點(diǎn)

3.2.1 精度高

基于傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三維模型，通過采集特征線獲取構(gòu)筑物的長(zhǎng)寬及坐標(biāo)信息，精度為厘米級(jí)，完全符合國(guó)家大比例地形圖規(guī)范要求。

3.2.2 效率高

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)使用商用無人機(jī)搭載相機(jī)可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的三維建模，節(jié)省測(cè)量時(shí)間，具有高效性。

4 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用流程為：飛前準(zhǔn)備→參數(shù)設(shè)置、航線設(shè)計(jì)→影像獲取→構(gòu)建三維模型→數(shù)據(jù)采集處理。針對(duì)大比例尺地形圖測(cè)繪技術(shù)要求，為有效提高該技術(shù)應(yīng)用合理性，操控人員需合理設(shè)置相機(jī)參數(shù)、航線重疊度以及飛行高度等主要參數(shù)，做到既不浪費(fèi)又滿足精度要求。

4.1 飛前準(zhǔn)備

①收集測(cè)區(qū)現(xiàn)有資料，包括已有地形資料、氣象數(shù)據(jù)、地磁環(huán)境信息等，并對(duì)資料仔細(xì)分析，最大化利用。②確認(rèn)測(cè)區(qū)是否位于軍事限制區(qū)或者是否存在敏感禁飛區(qū)，保證國(guó)家信息安全和航飛安全。③嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)要求進(jìn)行空域申報(bào)和飛行報(bào)備。④為提高精度，可以在飛前制作像控點(diǎn)標(biāo)記并測(cè)取像控點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)。像控點(diǎn)是傾斜攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，因此，像控點(diǎn)位置選擇及指示點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度直接影響測(cè)量成果的精度[1]。像控測(cè)量的目的是保證空三精度、確定地物目標(biāo)在空間中的絕對(duì)位置，外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量要嚴(yán)格按照《航外規(guī)范》的要求，進(jìn)行人工野外測(cè)量。人工制作的像控標(biāo)志要設(shè)置于開闊無干擾地帶，標(biāo)志點(diǎn)要規(guī)范清晰、不易挪動(dòng)和遮擋，外業(yè)使用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)獲取平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)。

4.2 參數(shù)設(shè)置、航線設(shè)計(jì)

正確設(shè)定飛行器傳感器參數(shù)，根據(jù)要求設(shè)置地面分辨率、航高、重疊度、拍攝間隔等各項(xiàng)對(duì)質(zhì)量有重要影響的參數(shù)，使各項(xiàng)操作能夠始終保持較高的精準(zhǔn)度，在無人機(jī)起飛前，要做好調(diào)試，確保各單元運(yùn)行正常。此外，借助三維模型處理軟件，測(cè)量人員應(yīng)做好比例尺調(diào)試，確保整個(gè)數(shù)據(jù)處理工作體現(xiàn)出較高的時(shí)效性。

4.3 影像獲取

無人機(jī)自主飛行，各傳感器都是由軟件控制，搭載的相機(jī)自動(dòng)等距拍攝，在確定曝光點(diǎn)后，各個(gè)鏡頭以相應(yīng)的坐標(biāo)位置，在多視角基礎(chǔ)上，曝光拍攝獲取影像資料。飛行完成后，要及時(shí)下載照片數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等有用數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。

4.4 三維模型構(gòu)建

與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量相比，傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)量更大、重疊度更高，因此，其處理算法、流程也不同。目前，在傾斜攝影的處理過程中引入計(jì)算機(jī)視覺中的多視幾何原理，完成空中三角測(cè)量、模型重建等過程。鑒于傾斜攝影數(shù)據(jù)量巨大，全范圍一次進(jìn)行空三處理，十分耗時(shí)且硬件設(shè)備難以支撐，故而在空三建模時(shí)將測(cè)區(qū)劃分多個(gè)子區(qū)，以子區(qū)為單元使用多臺(tái)電腦集群運(yùn)算進(jìn)行空三處理和模型構(gòu)建，而后以控制點(diǎn)為紐帶進(jìn)行拼接，以此提高效率。

4.4.1 空三加密和優(yōu)化

空中三角測(cè)量即空三加密，是傾斜攝影三維建模的核心，可有效實(shí)現(xiàn)傾斜影像處理恢復(fù)影像外方位元素。空中三角測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)是傾斜影像與正攝影像間的混合平差，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行，即以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的數(shù)學(xué)模型，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，使整體區(qū)域最佳地嵌入控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。需要注意的是，傾斜影像在空三加密過程中，要輸入像控信息并準(zhǔn)確刺點(diǎn)，確保傾斜影像的同名連接點(diǎn)能夠有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配。安徽省第四測(cè)繪院配有Smart3DCapture建模軟件，空三計(jì)算自動(dòng)完成，如果在結(jié)算過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，軟件會(huì)進(jìn)行相機(jī)參數(shù)和POS數(shù)據(jù)的同步檢查。經(jīng)過空三加密處理后，根據(jù)測(cè)量分析結(jié)果完成輸出工作。

4.4.2 構(gòu)建三維模型

將影像導(dǎo)入Smart3DCapture，經(jīng)過同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，最終得到三維模型，即通過明確多視影像技術(shù)要點(diǎn)，經(jīng)過密集點(diǎn)云匹配、點(diǎn)云融合與構(gòu)網(wǎng)、無縫自動(dòng)紋理映射等步驟，實(shí)現(xiàn)三維模型自動(dòng)構(gòu)建。通過使用Smart3DCapture軟件以及傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，在模型構(gòu)建方面，體現(xiàn)出較為明顯的有效性，在完成構(gòu)建后，模型具有較高的分辨率?？傮w而言，三維模型構(gòu)建包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、影像數(shù)據(jù)處理、平差處理等流程。環(huán)節(jié)眾多并且相對(duì)復(fù)雜，因此，工作人員應(yīng)以傾斜攝影數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，確定相應(yīng)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，配合使用Smart3DCapture軟件，自動(dòng)構(gòu)建模型。在模型重建完成之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)有部分模型存在漏洞、破損的情況，通常存在于匾額、水域等位置。這些問題雖然不能對(duì)模型精度產(chǎn)生較大的影響，但是由于這些問題的存在會(huì)嚴(yán)重影響模型的視覺效果，因此，需要加以人工處理之后才能恢復(fù)原貌[2]。

4.5 數(shù)據(jù)采集處理

以構(gòu)建好的三維模型作為基礎(chǔ)，使用EPS軟件通過不斷進(jìn)行視角切換，實(shí)現(xiàn)地物觀測(cè)，并且能夠進(jìn)一步采集到相應(yīng)的地貌要素。地物要素主要采集方式為人工完成，借助直線、垂線等相關(guān)工具，采集相關(guān)地物要素。以建筑物為例，建立在多視角基礎(chǔ)上，自動(dòng)識(shí)別建筑的所有邊緣部分，并進(jìn)一步構(gòu)建出初步輪廓，通過提取，可以獲取建筑物的準(zhǔn)確空間信息和線劃數(shù)據(jù)。地貌要素主要采集手段為三維信息處理，借助有效自動(dòng)化手段，提取出相關(guān)信息，包括等高線、高程點(diǎn)等。通過合理使用軟件，能夠自動(dòng)完成對(duì)相關(guān)地貌要素信息的收集。在準(zhǔn)確提取出相應(yīng)的等高線、高程線及邊線信息后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工綜合取舍。

另外，在整個(gè)采集工作過程中，部分房屋會(huì)存在嚴(yán)重遮擋情況，要及時(shí)予以相應(yīng)的處理。本項(xiàng)目采用套合使用農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)登記數(shù)據(jù)予以彌補(bǔ)。在這些區(qū)域農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)登記數(shù)據(jù)采用全站儀實(shí)測(cè)，數(shù)據(jù)精度更高。針對(duì)部分山地林區(qū)，本項(xiàng)目應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)，可有效保障地形、地貌采集效果。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種主動(dòng)式測(cè)繪地表空間信息的技術(shù)手段。通過主動(dòng)發(fā)射激光脈沖，獲取探測(cè)目標(biāo)反射回來的信號(hào)并處理得到地表目標(biāo)的空間信息。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢(shì)。機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)能夠部分穿透植物枝葉直達(dá)地表，能有效降低覆蓋影響導(dǎo)致的地表地形信息失真。LiDAR獲取高密度點(diǎn)云，保證了連線數(shù)據(jù)的較高精度，完全符合大比例尺地形圖測(cè)繪精度要求，因此，將機(jī)載LiDAR合理應(yīng)用在大比例尺地形圖中，完成對(duì)信息的補(bǔ)充獲取，可更好地滿足測(cè)繪實(shí)際需求。

此外，由于大比例尺地形圖相對(duì)于傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、LiDAR高密度點(diǎn)云連線數(shù)據(jù)和不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)精度要求要低，而且大比例尺地形圖有國(guó)標(biāo)規(guī)范，因此，要對(duì)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)照規(guī)范和技術(shù)設(shè)計(jì)書進(jìn)行必要處理，本項(xiàng)目規(guī)定：房屋和圍墻外圍輪廓的凸凹部分小于圖上0.3mm（含）、簡(jiǎn)單房屋外圍輪廓的凸凹部分小于圖上0.4mm（含）時(shí)，可用直線連接;底層未落地的陽臺(tái)不表示，落地陽臺(tái)按房屋表示，凹進(jìn)墻體的內(nèi)陽臺(tái)按房屋表示;過街天橋按橋面輪廓投影表示，橋的墩柱不表示;半地下室（由于地勢(shì)高低原因，房屋一側(cè)是地下室，另一側(cè)是外露的）不計(jì)入房屋總層數(shù)。

5 結(jié)論

傾斜攝影技術(shù)在各領(lǐng)域工作中發(fā)揮出了巨大的作用。我們以項(xiàng)目討論技術(shù)，最終用技術(shù)推動(dòng)了項(xiàng)目，充分利用新技術(shù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)為項(xiàng)目的順利完成打下基礎(chǔ)，多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用保證了本項(xiàng)目的順利完成。空間信息是我們接觸最多應(yīng)用最廣的信息，未來的測(cè)繪技術(shù)是空間大數(shù)據(jù)信息的高效獲取和多源數(shù)據(jù)的充分融合利用。

【參考文獻(xiàn)】

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