雷宇宏，俞 倩

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

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和航空攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，采用航空攝影進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取，利用影像進(jìn)行空三加密，然后基于虛擬立體像對(duì)采集地形圖成為了大比例尺地形圖測(cè)繪的主要方法[1]。但是通過實(shí)際作業(yè)發(fā)現(xiàn)，采用垂直攝影，基于立體像對(duì)采集的地形圖，其精度很難滿足1∶500 地形圖規(guī)范要求，因此不能作為1∶500 地形圖生產(chǎn)的方案[2]。為了解決這一問題，筆者在分析了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)后，提出利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行1∶500 地形圖生產(chǎn)的作業(yè)方案。并通過外業(yè)實(shí)地采集的特征檢測(cè)點(diǎn)對(duì)本文方案生產(chǎn)的地形圖精度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明：按照本文方案生產(chǎn)的地形圖，其精度可以滿足1∶500 地形圖精度要求，可以作為1∶500 地形圖生產(chǎn)的方案進(jìn)行推廣，希望可以解決大比例尺地形圖生產(chǎn)的痛點(diǎn)，為1∶500 地形圖生產(chǎn)帶來借鑒。

1 傾斜攝影技術(shù)概述

傾斜攝影是近幾年來發(fā)展起來的一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，其是指在飛行器上搭載多鏡頭航攝儀，從空中對(duì)地面進(jìn)行全方位、多角度影像數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)。首先利用無人機(jī)搭載多鏡頭非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，然后利用專業(yè)的數(shù)據(jù)解算軟件進(jìn)行空三加密的解算和實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，然后基于實(shí)景三維模型進(jìn)行多類型測(cè)繪產(chǎn)品的制作。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖生產(chǎn)的作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 基于無人機(jī)傾斜攝影生產(chǎn)大比例尺地形圖流程圖

2 案例分析

本次案例來源于實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目，為了減少外業(yè)工作量，縮短工作周期，在分析傾斜攝影技術(shù)后，提出采用傾斜攝影進(jìn)行1∶500 地形圖的生產(chǎn)。工作主要分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分，具體的工作內(nèi)容如下。

2.1 外業(yè)工作

外業(yè)工作主要包括測(cè)區(qū)勘察與已有資料收集、像控點(diǎn)噴涂與采集、航線規(guī)劃和航空攝影4 部分。

2.1.1 測(cè)區(qū)勘察與已有資料收集

本次任務(wù)位于甘肅省天水市城區(qū)，需要對(duì)城區(qū)某一區(qū)域進(jìn)行1∶500 地形圖全要素測(cè)繪。測(cè)區(qū)位于繁華地段，車輛行人多，路況復(fù)雜，測(cè)區(qū)內(nèi)最高建筑約為50 m，地勢(shì)較為平坦。測(cè)區(qū)內(nèi)有D 級(jí)控制點(diǎn)1 個(gè)，2020年0.2 m 分辨率正射影像成果。

2.1.2 像控點(diǎn)噴涂與采集

首先將0.2 m 正射影像和范圍線導(dǎo)入到ArcGIS中，然后按照300 m 的間距，在正射影像上均勻布設(shè)像控點(diǎn)點(diǎn)位，在范圍線拐角處和邊緣需布設(shè)像控點(diǎn)，從而確保邊緣成果的精度。布設(shè)完成后，將其導(dǎo)出為工作底圖，用于外業(yè)進(jìn)行像控點(diǎn)點(diǎn)位的快速查找。為了提高像控點(diǎn)內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺的精度，本次像控點(diǎn)點(diǎn)位全部采用紅色油漆進(jìn)行“L”形噴涂，噴涂的拐角要非常垂直，這樣有利于內(nèi)業(yè)進(jìn)行準(zhǔn)確轉(zhuǎn)刺。利用GPS-RTK 進(jìn)行像控點(diǎn)點(diǎn)位采集，首先對(duì)任務(wù)區(qū)內(nèi)的D 級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行采集，并和已有的點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)比，對(duì)儀器進(jìn)行檢核，確保參數(shù)輸入誤差，采集點(diǎn)位成果準(zhǔn)確可用。在采集的時(shí)候，采集“L”的內(nèi)拐角，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行3 次有效采集，有效采集是要求彼此之間交叉均小于1 cm，最后取平均值作為最終的采集成果。在采集完像控點(diǎn)成果后，在測(cè)區(qū)精度薄弱區(qū)域，隨機(jī)均勻采集23 個(gè)平高特征檢測(cè)點(diǎn)，用于后期對(duì)地形圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)。

2.1.3 航線規(guī)劃

結(jié)合50 m 的高差，本次航線規(guī)劃，按照東西方向，航向、旁向重疊均為85%，地面采樣分辨率為3 cm，相對(duì)航高為120 m，共布設(shè)飛行架次21 個(gè)。本次測(cè)試選取其中1 個(gè)具有代表性的架次進(jìn)行。具體的航線規(guī)劃參數(shù)如圖2 所示。

圖2 航線參數(shù)規(guī)劃

2.1.4 航空攝影

在無人機(jī)進(jìn)行航空攝影作業(yè)前，先要進(jìn)行航飛前各項(xiàng)指標(biāo)檢查，主要查看飛機(jī)各部件是否固定牢靠，相機(jī)是否可以正常曝光，POS 是否可以正常記錄，內(nèi)存卡讀寫是否正常，電池電量是否可以滿足航飛要求等。在確保符合航飛要求前提下，進(jìn)行無人機(jī)升空采集影像數(shù)據(jù)。在采集影像的過程中，要時(shí)刻關(guān)注地面站上飛機(jī)的飛行狀況，確保飛行是可控的。如果發(fā)現(xiàn)無人機(jī)偏離航線，需采取必要措施，對(duì)無人機(jī)進(jìn)行返航，確保不會(huì)發(fā)生安全事故。在無人機(jī)完成影像數(shù)據(jù)的采集后，按照規(guī)劃好的航線進(jìn)行降落，并第一時(shí)間對(duì)內(nèi)存卡中的影像和POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出并保存。

2.2 內(nèi)業(yè)工作

內(nèi)業(yè)工作主要是對(duì)外業(yè)提供的成果進(jìn)行預(yù)處理，并選擇專業(yè)的建模軟件進(jìn)行工程的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)的導(dǎo)入完善，然后進(jìn)行空三加密和實(shí)景三維模型的重建，最后基于實(shí)景模型進(jìn)行地形圖的測(cè)繪。

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行提升。

（1）POS 數(shù)據(jù)解算。在傾斜攝影中，通常記錄的是下視鏡頭的POS，然后用下視鏡頭的POS 代替?zhèn)纫曠R頭的POS 進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，這樣由于側(cè)視鏡頭POS 精度不高，無法準(zhǔn)確還原采集影像時(shí)的位置和姿態(tài)，容易導(dǎo)致解算失敗。通過對(duì)航攝儀中安置的相機(jī)進(jìn)行分析，結(jié)合平臺(tái)安置參數(shù)，利用Matlab 軟件進(jìn)行編程，然后以下視鏡頭POS 為基準(zhǔn)，對(duì)4 個(gè)側(cè)視鏡頭POS 進(jìn)行解算，使得影像和POS 可以一一對(duì)應(yīng)。

（2）影像質(zhì)量提升。5 個(gè)鏡頭獲取的影像名字是相同的，因此首先需要對(duì)影像進(jìn)行重命名。利用拖把更名器，對(duì)5 個(gè)鏡頭影像進(jìn)行重命名，使得影像名和POS 名可以對(duì)應(yīng)上，且是唯一的，不存在重名的。通過人機(jī)交互的方式對(duì)影像進(jìn)行查看，影像質(zhì)量整體較差，對(duì)比度不明顯。為了后續(xù)成果的質(zhì)量有保障，首先利用Photoshop 軟件對(duì)其中1 幅影像進(jìn)行勻光勻色和調(diào)整亮度處理，然后利用軟件中的批處理功能，對(duì)所有影像按照同樣的處理步驟進(jìn)行勻光勻色和亮度調(diào)整的處理。

2.2.2 工程創(chuàng)建

工程創(chuàng)建主要的目的就是建立新工程，然后把POS 數(shù)據(jù)、影像和相機(jī)參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)入。首先通過文件夾的形式，對(duì)5 個(gè)鏡頭影像進(jìn)行加載，然后將POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，將檢校的相機(jī)參數(shù)進(jìn)行填寫完善。在實(shí)際作業(yè)中，由于傾斜鏡頭檢校成本高，因此多數(shù)情況下利用軟件自檢校完成，本次在作業(yè)時(shí)也利用自檢校方式對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3 空三加密與刺點(diǎn)平差

傾斜攝影數(shù)據(jù)解算中，空三解算通過率是很低的，主要原因是相機(jī)參數(shù)不夠精確。為了解決這一問題，需要進(jìn)行相機(jī)參數(shù)優(yōu)化。首先選取連續(xù)的100 張影像，5個(gè)鏡頭共500 張影像，對(duì)這些影像進(jìn)行空三加密解算，通過平差得到優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)，然后將得到的參數(shù)導(dǎo)出，并引入到所有影像解算的工程中，這樣有利于提高空三的解算成功率。本次參與運(yùn)算的影像共15 435張，解算后未入網(wǎng)影像13 張，解算成果未分層，未彎曲，空三成果質(zhì)量較好。將采集的像控點(diǎn)導(dǎo)入空三中，并對(duì)所有的像控點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。對(duì)于位于影像邊緣部分的點(diǎn)位，本次不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，轉(zhuǎn)刺完成后進(jìn)行平差調(diào)整。平差完成后，查看平差報(bào)告，本次所有像控點(diǎn)的平面中誤差為0.011 m，高程中誤差為0.013 m，加密點(diǎn)重投影中誤差為0.351 個(gè)像素，小于規(guī)范的2/3 個(gè)像素，平差精度符合要求，成果可用。

2.2.4 三維重建

結(jié)合集群電腦的配置，在建模時(shí)，采用規(guī)格格網(wǎng)平面劃分的方式對(duì)瓦片進(jìn)行劃分，大小設(shè)置為100 m×100 m，這樣內(nèi)存約為15 G，小于集群電腦最低配置32 G 的1/2，這樣可以確保在建模過程中，電腦內(nèi)存不會(huì)溢出，保證建模順利完成。在輸出參數(shù)設(shè)置中，貼圖質(zhì)量選擇100%，瓦片輸出格式選擇OSGB，輸出坐標(biāo)系統(tǒng)選擇和像控點(diǎn)一致，其余參數(shù)默認(rèn)，提交建模任務(wù)，開啟所有集群電腦的引擎，快速完成三維模型的重建。

2.2.5 地形圖測(cè)繪

本次地形圖采集選用北京清華山維的EPS 軟件，新建工程，選擇1∶500 地形圖數(shù)據(jù)庫。首先對(duì)OSGB 格式的模型和元數(shù)據(jù)xml 進(jìn)行加載，然后生成索引文件DSM，并將其加載到軟件中，然后選擇不同的圖層命令，進(jìn)行地形圖的采集。在采集等高線時(shí)，利用高程點(diǎn)和水面淹沒的方式，對(duì)等高線進(jìn)行生成和采集。

3 精度統(tǒng)計(jì)與分析

將23 個(gè)特征檢測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入EPS 軟件中，對(duì)地形圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。表1 中單位均為m，DX代表X方向較差，DY代表Y方向較差，DZ代表高程較差，DS代表點(diǎn)位平面較差。

按照同精度中誤差[3]計(jì)算公式，對(duì)23 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平面位置中誤差進(jìn)行計(jì)算，得到平面位置點(diǎn)位中誤差為±0.122 m，以算數(shù)平均值作為高程中誤差，得到高程位置點(diǎn)位中誤差為0.160 m，成果精度滿足1∶500 地形圖精度要求。

4 結(jié)束語

本文以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，對(duì)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，并采用特征檢測(cè)點(diǎn)對(duì)生產(chǎn)的成果精度進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，采用本文方案生產(chǎn)的地形圖，精度可以滿足1∶500 地形圖精度需求，可以為大比例尺地形圖的生產(chǎn)帶來借鑒。