贠亞杰

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司,甘肅 天水 741000）

攝影測(cè)量技術(shù)主要用來(lái)生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字線劃圖（DLG）,其中DLG 的生產(chǎn)目前方法較多,主要可以分為全野外作業(yè)和內(nèi)外業(yè)相結(jié)合作業(yè)[1]。全野外作業(yè)主要是指利用全站儀、GPS-RTK 等實(shí)地進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量,然后內(nèi)業(yè)根據(jù)外業(yè)采集的坐標(biāo)和手繪的草圖,按照實(shí)際情況進(jìn)行地形圖的繪制；內(nèi)外業(yè)相結(jié)合主要是指內(nèi)業(yè)和外業(yè)搭配進(jìn)行地形圖的生產(chǎn),常見(jiàn)的有兩種：一是利用攝影測(cè)量的方式進(jìn)行平面坐標(biāo)的采集,利用GPS-RTK 進(jìn)行高程點(diǎn)的采集,然后將兩套成果合在一起,得到最終的地形圖；二是利用攝影測(cè)量技術(shù),在內(nèi)業(yè)得到符合精度要求的地形圖,這種方式目前生產(chǎn)的地形圖精度參差不齊,很難滿(mǎn)足項(xiàng)目要求[2-4]。針對(duì)該方式生產(chǎn)的地形圖精度低的問(wèn)題,本文提出采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖的生產(chǎn),并對(duì)成果精度進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明,按照本文方案生產(chǎn)的地形圖精度可以滿(mǎn)足1:500 地形圖精度要求,可以作為大比例尺地形圖生產(chǎn)的一種方式進(jìn)行有效推廣使用。

1 傾斜攝影技術(shù)

對(duì)于測(cè)繪工作而言,傾斜攝影技術(shù)主要包括傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、傾斜攝影建模軟件和傾斜攝影建模技術(shù)三部分。

1.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

利用無(wú)人機(jī)搭載航攝儀,從空中對(duì)地面進(jìn)行拍攝,獲取影像數(shù)據(jù),用于測(cè)繪產(chǎn)品的制作被稱(chēng)為攝影測(cè)量技術(shù)。攝影測(cè)量技術(shù)主要分為垂直攝影測(cè)量技術(shù)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù),垂直攝影測(cè)量是指航攝儀垂直于地面,從上方垂直獲取地面影像數(shù)據(jù),由于無(wú)人機(jī)姿態(tài)較差,所以在獲取數(shù)據(jù)時(shí),并不是真正的垂直,但是其夾角非常小,一般不超過(guò)3°；傾斜攝影測(cè)量是指航攝儀從多個(gè)角度對(duì)地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取,即在垂直攝影測(cè)量的基礎(chǔ)上,又增加了傾斜角度,而且通常傾斜角度在45°左右,這樣才可以獲取角度更全、有用信息更多的影像[5]。

1.2 傾斜攝影建模軟件

是指按照一定的算法,對(duì)航攝二維影像進(jìn)行解算,通過(guò)一定的算法得到三維實(shí)景模型的軟件,目前這類(lèi)軟件較多,常見(jiàn)的有美國(guó)本特利的ContextCapture（簡(jiǎn)稱(chēng)CC）、SkyLine 公司的PhotoMesh、上海瞰景科技的Smart3D、北京中測(cè)智繪的M3D、大疆公司的大疆智圖,根據(jù)實(shí)際作業(yè)可知,這些軟件在空三解算和建模時(shí),從模型精細(xì)度、解算所耗時(shí)長(zhǎng)等方面來(lái)說(shuō),各有利弊,在作業(yè)過(guò)程中,搭配使用,才能更好地發(fā)揮每個(gè)軟件的作用,提升作業(yè)效率。

1.3 傾斜攝影建模技術(shù)

傾斜攝影建模理論上來(lái)說(shuō),只要照片具有一定的重疊度,就可以進(jìn)行建模,但是測(cè)繪是要講究坐標(biāo)系和精度的,因此還需要引入POS 數(shù)據(jù),POS 中記錄了相機(jī)在空中曝光時(shí)的位置和姿態(tài),由于無(wú)人機(jī)的不穩(wěn)定性,因此在實(shí)際作業(yè)中,對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行了舍棄。傾斜攝影建模技術(shù)是指通過(guò)自動(dòng)或半自動(dòng)的技術(shù),借助攝影測(cè)量算法,對(duì)航攝影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,得到具有三維的,能夠按照一定比例尺呈現(xiàn)實(shí)際現(xiàn)狀的技術(shù)。其主要分為航攝影像數(shù)據(jù)獲取、空中三角測(cè)量解算和可視化三維模型自動(dòng)構(gòu)建三部分,其整個(gè)作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影建模流程

2 案例分析

本次案例來(lái)自于我院承接的城區(qū)大比例尺地形圖更新,要求在已有地形圖基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)生變化的區(qū)域進(jìn)行全要素更新。已有地形圖是采用RTK 全野外作業(yè)獲取的,本次作業(yè)則采用傾斜攝影技術(shù),目的是通過(guò)改變作業(yè)方式而提高作業(yè)效率,降低生產(chǎn)成本。

2.1 測(cè)區(qū)概括

項(xiàng)目位于主城區(qū),發(fā)生變化的區(qū)域主要有住宅區(qū)和道路,住宅小區(qū)很難進(jìn)去作業(yè),道路上車(chē)輛多,嚴(yán)重影響地形圖的更新。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地勢(shì)整體平坦,但最高建筑約100 米,存在較大的高差。

2.2 無(wú)人機(jī)選型

針對(duì)高差大這一特點(diǎn),本次作業(yè)為了獲取分辨率盡可能相同的影像,采用旋翼機(jī)、長(zhǎng)焦距、仿地飛行的作業(yè)方案。在選擇飛機(jī)時(shí),根據(jù)不同飛機(jī)的特點(diǎn),選用SH-60X 無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè),該飛機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng),穩(wěn)定性高的特點(diǎn),最主要的是該飛控支持仿地飛行作業(yè)。為了減小影像的畸變,在相機(jī)選擇的時(shí)候,選擇下視鏡頭為35mm,側(cè)視鏡頭為50mm 的5 拼相機(jī)。

2.3 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃質(zhì)量的高低直接影響后續(xù)的航飛結(jié)果,在本次作業(yè)中,由于采用的是仿地飛行方案,因此進(jìn)行了兩次航線規(guī)劃。首先按照常規(guī)飛行模式,以低重疊度的設(shè)計(jì),采用固定高度的飛行方式獲取城區(qū)影像,然后利用Pix4D 軟件,快速獲取任務(wù)區(qū)的高精度DSM 數(shù)據(jù),然后將其導(dǎo)入WPM 軟件,按照航向85%、旁向85%的重疊度、地面影像分辨率為0.03 米的要求進(jìn)行仿地航線的規(guī)劃。

2.4 控制測(cè)量

本次作業(yè)未采用差分技術(shù),因此得到的POS 精度較低,為了獲得高精度的地形圖成果,需要進(jìn)行控制點(diǎn)的采集。首先將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入圖新地球軟件,按照300米的間距,結(jié)合地形,合理均勻的布設(shè)大致點(diǎn)位,然后將其導(dǎo)出,并導(dǎo)入手機(jī)端的奧維地球中。外業(yè)控制點(diǎn)采集人員,根據(jù)奧維地球上的位置,規(guī)劃采集路線,快速進(jìn)行控制點(diǎn)位的確定。由于是傾斜攝影,因此對(duì)點(diǎn)位的選取是有要求的,要盡可能選在四周空曠的地方,這樣可以減小點(diǎn)位的遮擋,提升控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺的個(gè)數(shù)。在點(diǎn)位選擇時(shí),如果無(wú)明顯的特征點(diǎn),則可以采用紅白油漆進(jìn)行點(diǎn)位噴涂,然后進(jìn)行坐標(biāo)采集,如果有特征點(diǎn),則可以直接采集在特征點(diǎn)上。在點(diǎn)位采集時(shí),對(duì)實(shí)際點(diǎn)位進(jìn)行了遠(yuǎn)景和近景的拍照,這樣便于內(nèi)業(yè)對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行快速準(zhǔn)確判定。為了減少偶然誤差帶來(lái)的影響,在點(diǎn)位采集時(shí),統(tǒng)一按照每個(gè)點(diǎn)位采集3 次,相互較差小于1cm 的要求進(jìn)行,采集完成后,將成果打包提交到內(nèi)業(yè)。

為了對(duì)后期成果精度進(jìn)行檢測(cè),在采集控制點(diǎn)的同時(shí)業(yè)采集了部分檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)點(diǎn)主要位于整個(gè)成果精度薄弱區(qū)域。在采集檢測(cè)點(diǎn)時(shí),采集了兩種類(lèi)型的檢測(cè)點(diǎn),即平面檢測(cè)點(diǎn)和高程檢測(cè)點(diǎn),平面檢測(cè)點(diǎn)全部位于特征點(diǎn)上,共采集了23 個(gè),高程檢測(cè)點(diǎn)除了23 個(gè)平面檢測(cè)點(diǎn)外,還在地形變化較大區(qū)域,采集了15 個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn),即最終為38 個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn)。

2.5 航空攝影作業(yè)

為了減少陰影遮擋,提升航攝成果質(zhì)量,本次作業(yè)采集影像時(shí),主要選取在上午十點(diǎn)到下午兩點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)。首先對(duì)起飛和將落地進(jìn)行選取,然后進(jìn)行起飛前的檢查,主要檢查各部件的牢固性、相機(jī)是否正常曝光、內(nèi)存卡是否可以正常讀寫(xiě)和電池電量是否達(dá)到要求等。在完成一系列的檢查和試拍后,并確保周邊環(huán)境安全,進(jìn)行無(wú)人機(jī)的起飛作業(yè)。在無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中,需要通過(guò)地面站對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行觀察,確保飛機(jī)正常作業(yè),并且在可能發(fā)生危險(xiǎn)時(shí),可通過(guò)手控的方式對(duì)飛機(jī)的飛行狀況進(jìn)行控制。作業(yè)過(guò)程中,無(wú)人機(jī)嚴(yán)格按照已有航線進(jìn)行航飛作業(yè),共獲取影像數(shù)13585 張。通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)航攝影像成果進(jìn)行查看,影像質(zhì)量良好,未出現(xiàn)曝光嚴(yán)重、陰影遮擋嚴(yán)重等現(xiàn)象,成果可用。對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行查看,POS 成果和影像數(shù)對(duì)應(yīng)完整,未出現(xiàn)丟POS 值的情況,POS 成果可用。

2.6 實(shí)景三維建模

2.6.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是為工程創(chuàng)建做準(zhǔn)備,預(yù)處理主要是更改影像名、對(duì)影像進(jìn)行勻光勻色、整理POS 數(shù)據(jù)等。由于5 鏡頭數(shù)據(jù),一般每個(gè)鏡頭獲取的對(duì)應(yīng)影像名字是相同的,這樣不便于進(jìn)行后期處理,因此需要對(duì)影像進(jìn)行重命名。本次使用拖把更名器對(duì)影像進(jìn)行重命名,重命名后的影像命名都是唯一的。為了提升后期建模成果的質(zhì)量,這里對(duì)影像進(jìn)行勻光勻色處理。首先選擇一張地物信息豐富,具有代表性的影像,加載到PhotoShop 軟件中,通過(guò)對(duì)影像亮度、對(duì)比度、色調(diào)、飽和度等屬性的調(diào)節(jié),得到高質(zhì)量的調(diào)色后的影像,并對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行“動(dòng)作”記錄,然后按照同樣的方式,對(duì)所有影像進(jìn)行批處理,得到高質(zhì)量的原始影像。傾斜相機(jī)在作業(yè)過(guò)程中,其POS 數(shù)據(jù)是通過(guò)下視鏡頭的相機(jī)來(lái)記錄的,前面對(duì)5鏡頭影像均進(jìn)行了更名,因此這里需要對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行更名,利用查找替換的方式,快速完成POS 數(shù)據(jù)的更名,至此,工程創(chuàng)建之前的工作就完成了。

2.6.2 工程創(chuàng)建

工程創(chuàng)建主要是指影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)的導(dǎo)入,本次作業(yè)采用CC 軟件。首先新建工程,設(shè)置工程名和任務(wù)存放路徑,然后通過(guò)文件夾的方式,一次性加載所有影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù),然后將相機(jī)報(bào)告中的相機(jī)焦距,輸入到對(duì)應(yīng)相機(jī)的位置上,這樣可以保證后續(xù)數(shù)據(jù)能夠順利解算成功。在工程創(chuàng)建的過(guò)程中,不允許使用特殊符號(hào)和中文符號(hào),這樣可能會(huì)使得后期數(shù)據(jù)解算出現(xiàn)問(wèn)題。

2.6.3 空三解算

空三數(shù)據(jù)的解算,是攝影測(cè)量中最關(guān)鍵的一步,因?yàn)槠浣Y(jié)果直接影響到后續(xù)的成果。首先提交空三任務(wù),然后在主機(jī)和輔機(jī)上設(shè)置引擎作業(yè)路徑,最后開(kāi)啟每臺(tái)電腦上的引擎,通過(guò)集群作業(yè)的方式提高數(shù)據(jù)解算效率。在數(shù)據(jù)解算完成后,對(duì)其成果進(jìn)行查看,POS 和實(shí)際航飛軌跡符合,匹配出的結(jié)果未分層、未彎曲,成果質(zhì)量整體良好。設(shè)置控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng),導(dǎo)入控制點(diǎn),結(jié)合實(shí)地照片,對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺,通過(guò)目視的方法,對(duì)于位于影像邊緣的點(diǎn)位不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺,待所有的點(diǎn)轉(zhuǎn)刺完成后,提交平差任務(wù),進(jìn)行平差調(diào)整解算。平差完成后,查看平差報(bào)告,所有點(diǎn)位精度均滿(mǎn)足測(cè)繪精度要求,成果可用。

2.6.4 模型生產(chǎn)

本次生產(chǎn)模型主要用于后期的地形圖采集,因此在生產(chǎn)模型時(shí),不需要全部生產(chǎn),只需生產(chǎn)任務(wù)線范圍內(nèi)的即可。首先設(shè)置框架系統(tǒng)和空三系統(tǒng)一致,導(dǎo)入建模范圍線,然后瓦片切塊方式選擇平面規(guī)則格網(wǎng),瓦片大小以所有集群電腦內(nèi)存最小的為標(biāo)準(zhǔn),本次集群電腦中,內(nèi)存最小的為24G,因此只需設(shè)置瓦片大小為12G左右即可,這樣一來(lái),瓦片大小為80m*80m。為了盡可能保留建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu),在平面簡(jiǎn)化的時(shí)候,選擇簡(jiǎn)化方式單位為“米”,簡(jiǎn)化數(shù)值為“0”,這樣就可以保留更多的結(jié)構(gòu),提高后續(xù)采集的精度。實(shí)景三維模型格式很多,目前主流的測(cè)圖軟件均支持OSGB 格式的模型,因此輸出的模型格式選擇OSGB。待集群輸出模型完成后,對(duì)模型的質(zhì)量進(jìn)行查看,主要查看模型是否完整,輸出的坐標(biāo)系是否正確等,通過(guò)查看,本次模型成果質(zhì)量?jī)?yōu)良,可用性強(qiáng)且精細(xì)度良好[6-7]。

2.6.5 地形圖生產(chǎn)

本次地形圖成果要求為2017 圖式,但是已有軟件圖式為2007,為了得到符合要求的成果,后期需要進(jìn)行地形圖圖式的轉(zhuǎn)換。首先利用EPS 軟件進(jìn)行地形圖的采集,在采集的過(guò)程中,盡可能采集點(diǎn)位準(zhǔn)確,對(duì)于規(guī)則的四邊形房屋,可以選用五點(diǎn)房命令進(jìn)行快速繪制,對(duì)于無(wú)法準(zhǔn)確采集的地方,在地形圖上標(biāo)注明確,外業(yè)在進(jìn)行調(diào)繪時(shí)會(huì)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。采集完成后,利用CASS10 軟件,將2007 圖式轉(zhuǎn)為2017 圖式,并對(duì)轉(zhuǎn)換不合適的地方進(jìn)行查看,得到最終符合要求的地形圖。

3 精度統(tǒng)計(jì)與分析

成果精度的檢測(cè)與評(píng)定,是測(cè)繪作業(yè)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。首先利用采集的平面檢測(cè)點(diǎn),對(duì)地形圖成果平面精度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 平面精度檢測(cè)表

通過(guò)表1 可知,本次23 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中,平面較差最大為21.8cm,小于規(guī)范要求；按照同精度中誤差[8]公式計(jì)算可得23 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面位置中誤差為0.105 米,可以滿(mǎn)足大比例尺地形圖測(cè)繪精度要求。

同理,對(duì)38 個(gè)高程點(diǎn)精度進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 高程精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)圖

通過(guò)圖2 可知,本次38 個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn)中,較差最大未超過(guò)25cm,多數(shù)誤差均介于10-20cm 之內(nèi),采用算數(shù)平均值代替中誤差的方法,本次算數(shù)平均值為15.4cm,成果精度良好,能夠滿(mǎn)足本次項(xiàng)目要求。

結(jié)束語(yǔ)

城區(qū)地形圖測(cè)繪,是一項(xiàng)非常重要的測(cè)繪內(nèi)容,為了提高作業(yè)效率,降低生產(chǎn)成本,在垂直攝影測(cè)量無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目需求的情況下,本文提出的傾斜攝影作業(yè)方案,可以高質(zhì)量的完成城區(qū)1:500 地形圖的生產(chǎn)需求,可以為城區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪生產(chǎn)帶來(lái)參考。