基于傾斜攝影實景三維與豎直攝影立體像對的大比例尺地形圖生產(chǎn)

胡震天，劉燕芳

(南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧 530023)

1 引 言

一直以來，大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的獲取主要方式是通過常規(guī)航空攝影測量和傳統(tǒng)測繪方法。常規(guī)航空攝影測量(大中型飛機(jī)搭載專業(yè)量測相機(jī))受空域、工程進(jìn)度天氣等諸多因素影響，費(fèi)用較高，且面積較小、等級較高的工程不宜采用，而傳統(tǒng)測繪方法需要投入大量的人力、物力、財力，且存在外業(yè)強(qiáng)度大、施工周期長、部分危險測區(qū)測繪人員難以進(jìn)行現(xiàn)場勘測等缺點(diǎn)[2]。

進(jìn)入21世紀(jì)，無人機(jī)的用途不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為一種新型的空中平臺，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用。無人機(jī)最大的特點(diǎn)是機(jī)上沒有駕駛員或操控員，比有人機(jī)成本低、效率高、生存力強(qiáng)、機(jī)動性好，更加適合執(zhí)行“枯燥”、“骯臟”、“危險”的3D任務(wù)，在災(zāi)后應(yīng)急測繪、小范圍內(nèi)的大比例尺地形圖測量以及土地調(diào)查等工作中發(fā)揮了重大作用。

隨著無人機(jī)的迅猛發(fā)展，航空傾斜攝影作為一項高新技術(shù)出現(xiàn)在國際測繪領(lǐng)域，擺脫了以往單一的垂直攝影的局限，轉(zhuǎn)而在同一個飛行平臺上同時搭載多個各成角度的感光器件，同時從多個不同角度(前、后、左、右、上、下等)采集影像，獲取的影像成果更符合人類認(rèn)知的直觀真實世界。傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展不僅可以提高地表特征的解譯和實景三維模型生產(chǎn)效率，還能夠提供多種直接量測手段，如直接量算距離、高度、面積和體積等[3]。傾斜攝影與豎直攝影的相結(jié)合，同時得到地面地物的頂部和側(cè)面翔實的紋理信息，已廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收，基礎(chǔ)地理測繪等行業(yè)。

2016年4月南寧市勘察測繪地理信息院開始采用此方法生產(chǎn)大比例尺地形圖，已生產(chǎn)約 85 km2，并摸索出利用傾斜攝影實景三維與豎直攝影立體相對相結(jié)合的生產(chǎn)線劃圖的作業(yè)指導(dǎo)文件，取得較好的效果。本文簡要闡述該生產(chǎn)流程、生產(chǎn)實踐情況及該方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 傾斜攝影與豎直攝影相結(jié)合的方式生產(chǎn)大比例尺地形圖作業(yè)流程

2.1 作業(yè)流程圖

作業(yè)流程主要包括項目準(zhǔn)備，航空攝影，像控測量，空三解算，數(shù)據(jù)采集、調(diào)繪、編輯，成果提交等內(nèi)容，生產(chǎn)流程如圖1所示。

作業(yè)流程中分為傾斜攝影實景三維和豎直攝影立體模型兩種不同作業(yè)方式同時生產(chǎn)，豎直攝影立體模型即為傳統(tǒng)航測采集方式，該方式生產(chǎn)大比例尺地形圖利用無人機(jī)航測時，因無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，會出現(xiàn)部分立體模型無法建立、部分立體模型區(qū)域較小、部分相鄰模型接邊誤差較大，可生產(chǎn) 1∶1 000及以下比例尺測圖工作，但穩(wěn)定性較差，建議空三解算前進(jìn)行相機(jī)檢校與影響畸變糾正。

傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取一般將相機(jī)鏡頭前傾45°進(jìn)行拍攝，根據(jù)地形地貌設(shè)計航飛方向數(shù)(1個～5個方向)；布設(shè)像控點(diǎn)密度相對豎直攝影立體模型較小，盡量布設(shè)于測區(qū)邊緣處。

傾斜攝影無須相機(jī)檢校及影像畸變糾正，空三解算完成后，利用空三成果自動三維建模，獲取實景三維模型后不再進(jìn)行任何采集前處理(精度檢校除外)，可直接用于數(shù)據(jù)采集。

利用傾斜攝影產(chǎn)品實景三維模型獲取DLG數(shù)據(jù)，由于采集數(shù)據(jù)精度高，作為本文生產(chǎn)方法的主要采集方式，占數(shù)據(jù)采集部分的90%，豎直攝影立體模型采集僅為補(bǔ)充，主要采集三維模型顯示不明顯的坎、等高線、桿狀地物、水域范圍線和水面高程、部分立體可估算的樹底高程等在三維模型中不能采集的要素。

3 實踐案例分析

3.1 項目概況

(1)2016年我院航測中心線劃圖項目測區(qū)概況

①武鳴區(qū)花花大世界1∶500地形圖測量項目，共 8.8 km2，該項目測區(qū)范圍內(nèi)村莊散落，石頭山較多，水域面積大，林木茂盛，灌木叢生，通視情況較差；由于正在進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)和施工，地形地貌變化較大，有推土區(qū)和施工區(qū)。

根據(jù)地形豎直攝影2個架次；傾斜攝影5個架次，兩方向拍攝，航向重疊度設(shè)計為80%，旁向重疊度設(shè)計為80%，實際重疊度均為80%，相對航高 350 m，地面分辨率優(yōu)于 0.06 m。

該項目由于無人機(jī)進(jìn)行豎直攝影，姿態(tài)較差，造成立體模型可利用率較低。

②興業(yè)縣1∶1 000地形圖項目，共 25.8 km2，該項目測區(qū)包括興業(yè)縣城區(qū)及周邊多個村落，主城區(qū)有少數(shù)小區(qū)為高層建筑，多為民房及私宅，各村落房屋密集，建筑分布雜亂，形狀怪異，破舊房屋較多；其他區(qū)域多為農(nóng)田和旱地，整個測區(qū)為盆地，地勢較平坦，僅在測區(qū)的北部和東南部有少數(shù)山地；測區(qū)地形較破碎，地物較復(fù)雜，難度較高。

根據(jù)地形豎直攝影5個架次；傾斜攝影8個架次，三方向拍攝，航向重疊度設(shè)計為75%，旁向重疊度設(shè)計為75%，實際重疊度均為75%，相對航高 350 m，地面分辨率優(yōu)于 0.05 m。

該項目豎直航空攝影過程中由于相機(jī)未定焦，航飛時相機(jī)抖動，造成三維模型數(shù)據(jù)模糊，不利于精確采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致重新拍攝兩個架次。

③三塘鎮(zhèn)1∶1 000地形圖修補(bǔ)測項目，共 22.5 km2，該項目以地形更新為主，由于火車東站的修建造成測區(qū)內(nèi)地形地貌發(fā)生較大變化，建筑中道路、施工區(qū)、堆土區(qū)較多；村莊相對集中，房屋密集，部分村莊難以區(qū)分房屋間隔。

根據(jù)地形豎直攝影4個架次；傾斜攝影23個架次，兩方向拍攝，航向重疊度設(shè)計為80%，旁向重疊度設(shè)計為80%，實際重疊度均為80%，相對航高為 300 m，地面分辨率優(yōu)于 0.04m。

(2)項目成本與工期

2016年我院航測中心線劃圖項目各流程生產(chǎn)周期 表1

從表1中可以直觀看出，調(diào)繪及補(bǔ)測所用時間占項目總工期比例較小，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集、編輯工期占較大比例。

(3)項目精度

2016年我院航測中心線劃圖項目精度小結(jié) 表2

從表2中可以看出，利用實景三維與立體模型相結(jié)合采集數(shù)據(jù)的方法均能滿足大比例尺精度要求，且平面與高程中誤差一般為 10 cm～20 cm。

4 優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過傾斜攝影獲取多角度航攝像片，輔以地面控制，用Smart3D Capture軟件進(jìn)行空三加密解算和實景三維模型生產(chǎn)，再使用EPS三維測圖模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

優(yōu)點(diǎn)：可采集到房屋主體結(jié)構(gòu)，各類坎易于分辨，裸露地表可精確采集，房屋層數(shù)可內(nèi)業(yè)識別并標(biāo)注，平面、高程精度較高，采集、編輯可同時進(jìn)行，工作量大多轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)，大大減少外業(yè)調(diào)繪的工作量，對作業(yè)員要求較低。

缺點(diǎn)：航攝影像重疊度要求高，分辨率高，相對航高較低，航拍時間較長，航飛難度大；空三解算耗時較長，對硬件要求相當(dāng)高，自動三維建模耗時長；對于電桿、路牌、獨(dú)立樹等桿狀地物識別度較低，幾乎無法采集數(shù)據(jù)；植被覆蓋區(qū)域、高大建筑遮擋區(qū)域等無法準(zhǔn)確采集；加大內(nèi)業(yè)難度，內(nèi)業(yè)成圖時間較長。三維模型本身存在對于紋理不足的地方會進(jìn)行空洞填補(bǔ)，會造成拉花現(xiàn)象，加上植被覆蓋區(qū)無法用三維模型采集，只能使用傳統(tǒng)立體模型進(jìn)行采集，但立體像對采集精度相對較低，且對作業(yè)員要求較高。

5 結(jié) 語

采用全野外方法實測精度高，但進(jìn)度慢，工期無法保證，且成本較高；采用傳統(tǒng)立體采集和外業(yè)修補(bǔ)測的生產(chǎn)方式也無法滿足項目工期和精度要求，因此大比例尺地形圖項目生產(chǎn)啟用了三維采集新方法，大大減少了外業(yè)工作量，使地形圖精度和工期得到保障，成圖效率高。

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