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來源：《城市勘測》2018年第6期 作者：杜洪濤，郭敏,，魏國芳,，梁菲 摘 要: 城市大比例尺地形圖測繪主要采用全野外數字化測量方法，效率低,、勞動強度大,。隨著無人機傾斜攝影測量技術的飛速發(fā)展，采用該技術開展大比例尺地形圖測繪成為探索和試驗的熱點課題,。利用無人機傾斜攝影成果———數字正射影像和實景三維模型數據,，采用二三維聯(lián)動一體化測量軟件，實現地理要素的測繪和更新,。以濟南市商河縣老城區(qū)30km 1 ∶500 比例尺地形圖更新為例,，總結該技術應用于大比例尺地形圖測繪的技術流程和技術優(yōu)勢,。 關鍵詞: 無人機傾斜攝影技術; 實景三維模型; 二三維聯(lián)動一體化; 大比例尺地形圖測繪 1 引言 作為一項基礎性測繪工作，大比例尺地形圖測繪在城市規(guī)劃建設,、地籍與房產測量,、工程施工測量等領域均發(fā)揮重要作用[1,2]。目前主流的大比例尺地形圖測繪方式有全野外數字化測圖方法,、航空攝影測量方法,。全野外數字化測圖方法[3]外業(yè)工作量大，內業(yè)數據處理復雜,，從而導致數據作業(yè)周期長,、更新速度慢等弊端。傳統(tǒng)航空攝影測量方法[4]主要用于1∶2000比例尺地形圖的測繪,，對于1∶500比例尺地形圖,，成果精度難以控制，特別是地形高程信息,，一般需要采用全野外測繪的方式進行補測,。 近幾年，無人機航攝系統(tǒng)以其操作便捷,、成本低,、機動性強等特點，迅速得到推廣應用,。利用無人機航攝系統(tǒng)進行大比例尺地形圖測繪,，繼承了無人機航攝技術特點，大幅提高大比例尺地形圖的更新效率,，成為目前研究的熱門課題[5,6],。目前利用無人機航攝系統(tǒng)進行大比例尺地形圖測繪主要以無人機航飛正射影像圖為底圖，內業(yè)編輯成圖后輔以外業(yè)補繪調繪完成,。受二維影像數據自身局限性限制,，內業(yè)數據采集過程中存在大量不可確定的信息，如建筑物層數,、房檐改正距離等,，需要通過外業(yè)補繪調繪完成[7,8]。無人機傾斜攝影技術的發(fā)展,，使得成果數據從二維空間升級至三維空間,，可全方位、立體化還原地物特征,，進一步減少外業(yè)工作量,，加快數據采集速度。 本文以無人機傾斜攝影測量成果為基礎,，采用二三維聯(lián)動一體化測圖模式,，進行大比例尺地形圖測繪,，實踐證明該技術方法可靠性強，具有應用推廣價值,。 2 無人機傾斜攝影技術 無人機技術[9]具有機動性強,、準入門檻低和便捷性高等特點，無人機技術與傾斜攝影技術的結合,，帶動了傾斜攝影技術的發(fā)展,，大大降低了實景三維數據的獲取難度，從而提高了數據的適用范圍,。無人機傾斜攝影技術使用無人機攜帶航攝儀獲取多個角度的像片,，利用計算機視覺理論識別同名像點，結合POS 數據或地面控制點數據,，恢復立體模型,，可同步獲取同一區(qū)域的實景三維模型數據、數字正射影像數據,、點云數據等多種類型的成果數據[10],。基于以下兩方面的特點,，無人機傾斜攝影技術滿足大比例尺地形圖測繪的高精度要求,。一方面，航飛數據采集時航高較低且像片重疊度高,，重建過程中多余觀測量多,，重建數據的內符合精度高;另一方面，建模過程中加入了POS 數據和高精度地面控制點數據輔助,，使得數據輸出時具有高精度的位置信息,。 3 基于無人機傾斜攝影技術的大比例尺地形圖測圖技術流程 基于無人機傾斜攝影技術的大比例尺地形圖測圖技術流程主要包括資料收集與分析、像控點布設,、無人機航空攝影,、實景三維建模,、基于實景三維建模成果的內業(yè)數據采集以及外業(yè)補繪與調繪工作,，如圖1 所示。 圖1 基于無人機傾斜攝影技術的大比例尺地形圖測圖技術流程 3. 1 資料收集與分析 收集測區(qū)相關數據資源,，包括數字線劃圖數據,、影像圖數據、數字高程模型數據,、測區(qū)自然人文地理情況等,。基于上述信息,，完成以下兩項工作:①根據測區(qū)的地物分布情況,，主要依據道路網的分布,，大致確定無人機的起降場地范圍和行車路線;②根據成果要求精度水平和相機主距、像元大小等參數,，計算航飛高度,。此外，需要重點關注測區(qū)范圍內是否分布有高層建筑或較高信號塔等可能增加航飛難度的因素以及擬定航高是否符合安全作業(yè)要求,。 3. 2 像控點布設 像控點的布設策略取決于建模精度需求,、是否有POS 數據輔助、像幅大小等因素,。對于無人機傾斜攝影技術,，目前多采用區(qū)域網布點的像控點布設法，即測區(qū)四周布設平高點,，內部布設一定數量的平高點或高程點,。根據經驗估計，對于一般地形區(qū)域,，采用間隔10 000個像素布設一個平高點的方法進行加密,。 根據擬定的像控點布設方法，并結合已有資料,，在影像圖上大致確定像控點的預設范圍,。關于像控點的位置選取，在預設范圍內盡量選擇平整地面明顯標志點,，如斑馬線角點,、檢修井中心點等地面點點位。當預設范圍內不易尋找標志明顯的特征點時,，可使用油漆在地面繪制人工標記或使用像控紙作為像控點,。圖2為典型像控點選點示意圖。 圖2 像控點選點示意圖 3. 3 無人機航空攝影 根據外業(yè)現場的實際情況確定無人機航空攝影分區(qū),，分區(qū)時保證像控點分布均勻,，一般優(yōu)先選擇路網作為分界線。根據內業(yè)初步擬定的無人機起降場地,，結合現場實際情況,，選擇視野開闊、周圍遮擋小,、無明顯信號干擾,、遠離人群和建筑物的地方作為無人機起降場地，著重避開高層建筑及信號塔,。對于進行實景三維建模,，一般采集5 個視角的影像，分別包含1 個正射角度和4 個傾斜角度。 無人機航空攝影時,，按照設定的航飛高度進行數據采集,，其中航向重疊度一般設定為70% ～ 80%。旁向重疊度設定為60%～70%,。 3. 4 實景三維建模 實景三維建模過程包括數據準備,、空三加密、建模輸出三個環(huán)節(jié),。數據準備主要是整理航飛影像數據,、相機文件、POS 數據以及像控點數據,，使其滿足軟件平臺的要求,。將整理后的數據載入實景三維建模軟件，常用的三維建模軟件有Context Capture Master,、Photomesh,、PhotoScan、Altizure,、Pix4DMapper 等,。 空三加密是實景三維建模的核心環(huán)節(jié)之一，為提高成果的位置精度水平,，需要將外業(yè)采集像控點數據刺點至對應的像片,，要求各個視角均選刺一定數量的像片。刺點完成后,，運行空三加密,，軟件自動進行多視角影像密集匹配、區(qū)域網平差,，確定像片之間的位置對應關系,。空三完成后,，可在軟件平臺查看空三點的密度圖,，如圖3 所示。 圖3 空三點的密度示意圖 基于原始影像數據和空三成果,，經三維TIN 構建,、自動紋理映射等流程，生產制作實景三維模型及其派生數據,，包括正射影像,、數字表面模型、點云等數據,。其中實景三維模型和其對應的正射影像將作為大比例尺地形圖測繪的數據源。 3. 5 內業(yè)數據采集 內業(yè)數據采用二三維聯(lián)動一體化測圖模式進行采集，即利用分屏方式分別加載正射影像數據和實景三維模型數據,，并使其同步,，可實現二維或三維狀態(tài)下的地形圖測量。數據采集界面如圖4 所示,。在三維或者二維環(huán)境下采集各種地物類型的特征點或特征線,，并借助地物本身和地物之間的幾何關系，繪制完成地物,。對于地貌信息的采集,，由于實景三維模型具有高程信息，可通過直接在模型表面拾取高程點完成,。常用的二三維一體化測圖軟件有EPS 地理信息工作站,、航天遠景三維智能測圖系統(tǒng)、Dp-Modeler 等,。 圖4 數據采集界面示意圖 3. 6 外業(yè)補繪與調繪 內業(yè)數據采集完成后,，需通過外業(yè)補繪與調繪工作檢核內業(yè)數據成果，對于內業(yè)無法測量,、識別的地物通過外業(yè)現場進行實地確認,，主要關注以下幾個方面: (1)對內業(yè)預判的地形圖要素進行核查、糾錯,、定性; (2)對內業(yè)漏測和難以準確判繪的圖形信息(如遮蓋區(qū)域),，特別是由于地物遮擋造成的實景三維模型的局部變形、模糊,，導致少量地物要素難以準確采集的情況,。部分線狀懸空的地物，如電力線等,，實景三維建模難度大,，難以從模型中準確辨別其走向和連接關系的情況。 (3)對內業(yè)難以獲取的屬性信息(如地理名稱等)進行調繪,，如檢修井的屬性信息,、路名、企事業(yè)單位等注記信息,。 4 實踐與分析 以商河縣老城區(qū)30 km2 1∶500比例尺地形圖測繪為例,，論述項目實施過程以及成果的精度評定。測區(qū)地處山東省濟南市商河縣,，屬華北沖積平原,，境內無高山和丘陵，地勢平坦,。測區(qū)位于商河縣主城區(qū),，經濟較發(fā)達,，交通便利，建筑物分布密集,，平均困難類別屬于建筑與工業(yè)區(qū)Ⅲ類,。 4. 1 項目實施 項目采用區(qū)域網布點策略，像控點均勻散布整個測區(qū),，各像控點間距控制在400 m以內,，據統(tǒng)計，測區(qū)范圍共計布設像控點460 個,。 項目采用DJI Phantom 4 Professional 四旋翼無人機多角度影像數據采集方案,，分別包含1 個正射角度與4 個傾斜角度，相對航高控制在100 m左右,，航向重疊度為70%,，旁向重疊度為65%，航攝時間均控制在上午9:00～ 16:00 之間,。結合測區(qū)實際情況,，選擇以硬化路面為分界線，將測區(qū)劃分為29 個航飛子測區(qū)實施航攝任務,。為保證接邊精度,，各航飛子區(qū)之間保持一定的重疊區(qū)域，原始航飛影像數據與有效建模面積之間的數量關系基本維持在4 000 張/km2,。 實景三維建模使用Context Capture 軟件,，將航飛數據、像控點數據載入軟件平臺,，經空中三角測量,、實景三維建模等環(huán)節(jié)，共制作完成30 km2 實景三維建模成果,，輸出正射影像數據和實景三維模型數據,。 基于上述兩類成果，在EPS 軟件平臺三維測圖模塊進行大比例尺地形圖數據采集,，隨后經調繪與補繪,，完成最終的1 ∶ 500比例尺地形圖成果。由于項目航飛數據采集時間為冬季,，植被遮擋情況較少,，一定程度上減少了外業(yè)補繪與調繪的工作量。 4. 2 精度評定 為評價基于無人機傾斜攝影技術的大比例地形圖測繪方法的精度水平,，對采用本方法完成的商河縣老城區(qū)1∶500比例尺地形圖采用野外散點法分別進行平面和高程精度檢測,。 平面精度檢測共檢測明顯地物點1273 個，剔除32 處粗差,，粗差率為2. 5%,，最大誤差0.290 m,，最小誤差0.003 m，中誤差為±0.081 m,，小于《城市測量規(guī)范》(CJJ /T8-2011)規(guī)定的地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差(±0.25 m),，檢測數據如表1 所示,。 高程精度檢測共檢測高程點2322 個,，剔除22 處粗差，粗差率為0. 9%,，最大誤差0.260 m,，最小誤差0.001 m，中誤差為±0.052 m,，小于《城市測量規(guī)范》(CJJ /T8-2011)規(guī)定的高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差(±0.15 m),，檢測數據如表2 所示。 經檢驗,，該項目的精度達到規(guī)范“優(yōu)級品”的要求,。 5 結論 經過大量的實踐證明，利用無人機傾斜攝影技術進行大比例尺地形圖測繪,，能夠滿足規(guī)范精度要求,，是地形圖測繪技術的重大嘗試和成功應用，其技術優(yōu)勢主要體現為以下幾點: (1)作業(yè)效率高,，勞動強度小,。無人機傾斜攝影測量技術響應迅速，數據獲取快捷,，作業(yè)效率提升,。與傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測繪方法相比，應用無人機傾斜攝影測量技術可以大幅降低外業(yè)工作量和工作強度,。 (2)數據采集直觀,、全面。通過正射影像數據和實景三維模型數據分別從二維和三維世界在線地物的分布特征,，直觀,、形象，作業(yè)員可直接在二三維作業(yè)環(huán)境下進行數據的采集和編輯,。 (3)數據精度高,，干擾性因素少。地形圖測量時經常遇到現場不配合或者地形地貌過于復雜的現象,，從而難以確保地形圖的準確性,。利用無人機傾斜攝影技術進行大比例尺地形圖測繪，通過非接觸模式二三維環(huán)境作業(yè),，可準確定位地物特征點位,，確保數據精度和全面性,。 該作業(yè)模式也存在一定的局限性，若航飛數據的獲取時間為植被較為茂盛的季節(jié)時,，由于植被遮擋造成的實景三維模型難以表達的地物,，仍需要通過補繪和調繪的形式進行補充。 |
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