垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量在生產(chǎn)大比例尺地形圖中的對(duì)比分析

李國希

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

大比例尺地形圖是航空攝影測(cè)量4D 產(chǎn)品中的一項(xiàng)，也是基礎(chǔ)測(cè)繪成果中重要的一部分[1]。傳統(tǒng)的大比例尺地形圖采集，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real-Time Kinematic，RTK） 載波相位差分技術(shù)進(jìn)行全野外作業(yè)，由于該方法生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)成本高，且全部是外業(yè)作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)高，因此尋求低成本、高效率的生產(chǎn)方式成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)[2-3]。

隨著攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，結(jié)合共線方程原理，使地形圖采集從外業(yè)搬到內(nèi)業(yè)成為了可能。無人機(jī)通過搭載相機(jī)，從空中拍攝照片，結(jié)合少量像控點(diǎn)，就可以完成影像數(shù)據(jù)解算，通過解算的數(shù)據(jù)，建立虛擬立體像對(duì)，就可以完成地形圖采集。然而，該方法對(duì)作業(yè)人員水平要求高，且需要專業(yè)的硬件設(shè)備，采購成本高。

隨著低空攝影測(cè)量和相機(jī)集成技術(shù)的出現(xiàn)，傾斜攝影測(cè)量得到了迅速發(fā)展，近年來，采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)實(shí)景三維模型，基于實(shí)景三維模型采集地形圖成為了生產(chǎn)地形圖的一種重要的方法。本文對(duì)垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量的作業(yè)原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)兩種作業(yè)方式進(jìn)行了對(duì)比分析，希望可以為同行提供有效參考。

1 攝影測(cè)量原理

1.1 垂直攝影測(cè)量原理

垂直攝影測(cè)量是指在飛行平臺(tái)上搭載垂直向下的相機(jī)，完成對(duì)地面物體影像的采集。首先，通過相似三角形原理和共線方程，將地面實(shí)際物體縮放到一張影像上；其次，通過空中三角測(cè)量加密解算，得到相鄰照片之間的關(guān)系；再次，結(jié)合少量像控點(diǎn)，通過轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)和平差調(diào)整，得到精度符合要求的空中三角測(cè)量成果；最后，基于該成果，生產(chǎn)其他測(cè)繪產(chǎn)品。其作業(yè)流程見圖1。

1.2 傾斜攝影測(cè)量原理

傾斜攝影測(cè)量是指在飛行平臺(tái)上搭載一個(gè)數(shù)碼相機(jī)或多鏡頭數(shù)碼相機(jī)，從空中對(duì)地面進(jìn)行多角度影像數(shù)據(jù)拍攝與采集[4-5]。

由于飛機(jī)續(xù)航等原因，有時(shí)會(huì)搭載一個(gè)數(shù)碼相機(jī)，這種情況下，通常需要進(jìn)行五向飛行，即交叉飛行5 遍，且其中4 次鏡頭均與地面呈一定的角度，這樣才可以獲取更豐富的地物信息。

多鏡頭數(shù)碼相機(jī)常見的有2 鏡頭搖擺相機(jī)、5鏡頭傾斜相機(jī)和9 鏡頭掃擺相機(jī)。2 鏡頭搖擺相機(jī)是以6 張像片為一組，沒有下視鏡頭，都是側(cè)視鏡頭，通過“前中后”的方式搖擺，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集；5 鏡頭傾斜相機(jī)是固定的，其中包括1 個(gè)下視鏡頭和4 個(gè)側(cè)視鏡頭，側(cè)視鏡頭與下視鏡頭呈45°夾角；9 鏡頭掃擺相機(jī)的下視鏡頭是固定的，4 個(gè)側(cè)視鏡頭是可以動(dòng)的，通過“順逆時(shí)針”的方式掃擺，就可以獲得多角度影像數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)獲取后，通過空中三角測(cè)量解算、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）構(gòu)建、白膜生成和紋理映射貼圖，得到實(shí)景三維模型成果。其作業(yè)流程見圖2。

圖2 傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)地形圖的作業(yè)流程圖

2 對(duì)比分析

主要對(duì)兩種作業(yè)方式生產(chǎn)地形圖的過程和成果進(jìn)行對(duì)比分析，具體對(duì)比內(nèi)容有：硬件配置需求、軟件操作難易度、作業(yè)人員要求、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)效率、外業(yè)工作量和精度分析。

2.1 硬件配置需求

垂直攝影測(cè)量基于虛擬立體像對(duì)進(jìn)行地形圖采集，需要專業(yè)的硬件設(shè)備，如專業(yè)的立體顯卡、立體顯示器、手輪腳盤或三維鼠標(biāo)、立體發(fā)射器等，除此之外，還需要專業(yè)的驅(qū)動(dòng)程序。

傾斜攝影測(cè)量不需要專業(yè)的硬件設(shè)備，普通電腦就可以生產(chǎn)實(shí)景三維模型，只是效率低而已。對(duì)于地形圖生產(chǎn)，采用的是裸眼測(cè)圖方式，不需要專業(yè)的硬件設(shè)備，因此對(duì)電腦要求低。

2.2 軟件操作難易度

基于虛擬立體像對(duì)采集地形圖，需要將空中三角測(cè)量加密成果恢復(fù)到立體測(cè)圖軟件中，目前使用較多的為Mapmatrix 軟件，在空中三角測(cè)量恢復(fù)時(shí)，需要進(jìn)行內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向等操作。由于空中三角測(cè)量軟件種類較多，每種軟件都有自己特有的空中三角測(cè)量加密成果，在進(jìn)行空中三角測(cè)量恢復(fù)時(shí)，很容易由于參數(shù)錯(cuò)誤或者方法錯(cuò)誤，導(dǎo)致空中三角測(cè)量恢復(fù)成果不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致采集地形圖成果精度達(dá)不到要求。

基于傾斜攝影測(cè)量的實(shí)景三維模型采集地形圖，是采用裸眼測(cè)圖方式，不需要復(fù)雜的空中三角測(cè)量恢復(fù)，只需要對(duì)模型成果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到索引文件，然后就可以進(jìn)行大比例尺地形圖采集作業(yè)了。較基于虛擬立體像對(duì)采集地形圖來說，裸眼測(cè)圖方式軟件操作簡單。

2.3 作業(yè)人員要求

立體測(cè)圖方式是左眼和右眼同時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，在立體環(huán)境下可以準(zhǔn)確得到其實(shí)際位置，然后進(jìn)行地形圖采集。其中難點(diǎn)之一就是立體環(huán)境的把握，初學(xué)者很難準(zhǔn)確判斷鼠標(biāo)是否貼合到地面，這樣會(huì)導(dǎo)致在采集高程點(diǎn)、等高線時(shí)，由于貼合不準(zhǔn)確而致使采集成果超限。一個(gè)新的作業(yè)人員大約需要3 個(gè)月的練習(xí)才能準(zhǔn)確進(jìn)行地形圖采集作業(yè)，因此立體測(cè)圖方式對(duì)作業(yè)人員要求高。

基于實(shí)景三維模型進(jìn)行裸眼測(cè)圖，所見即所得，作業(yè)人員只需要選擇對(duì)應(yīng)的命令工具就可以準(zhǔn)確采集地形圖。新手只要練習(xí)兩三天，就可以進(jìn)行作業(yè)，因此較立體測(cè)圖方式來說，裸眼測(cè)圖方式對(duì)作業(yè)人員要求低。

2.4 生產(chǎn)方式

基于垂直攝影測(cè)量的大比例尺地形圖有兩種生產(chǎn)方式：一是基于空中三角測(cè)量加密成果，在立體環(huán)境下進(jìn)行地形圖采集；二是基于正射影像和數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM） 成果，進(jìn)行地形圖采集。其中利用正射影像可以采集道路、河流、房屋等平面地物的地形；利用DSM 數(shù)據(jù)，對(duì)于裸露地表的地形，可以直接獲取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)于植被覆蓋、建構(gòu)筑物多的地形，可以通過濾波等手段對(duì)DSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到DEM 成果數(shù)據(jù)，然后再基于DEM 直接生成等高線和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。

基于傾斜攝影測(cè)量的大比例尺地形圖的生產(chǎn)方式，則是將實(shí)景三維模型直接加載到EPS、易繪、SV365 等裸眼測(cè)圖軟件，在實(shí)景三維模型上直接進(jìn)行大比例尺地形圖的測(cè)繪，其中等高線可以采用模型淹沒的方式進(jìn)行繪制。

2.5 生產(chǎn)效率

通過實(shí)際測(cè)試，對(duì)比分析兩種作業(yè)方式的生產(chǎn)效率。在本次測(cè)試中，A 組和B 組各3 人，分別基于垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量，進(jìn)行工程恢復(fù)和地形圖采集。按照3 人同時(shí)采集相同范圍內(nèi)的地形圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作業(yè)人員均為長期測(cè)圖人員，其中數(shù)據(jù)拷貝時(shí)間不計(jì)算在內(nèi)，工程恢復(fù)和測(cè)圖時(shí)間均計(jì)算在內(nèi)，時(shí)間按照實(shí)際完成測(cè)圖時(shí)間統(tǒng)計(jì)。其中，A 組3 人利用航天遠(yuǎn)景Mapmatrix4.2 軟件，進(jìn)行工程恢復(fù)和地形圖采集；B 組3 人利用清華三維EPS軟件，進(jìn)行工程恢復(fù)和地形圖采集。每個(gè)人的具體完成時(shí)間（即生產(chǎn)耗時(shí)） 統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 兩種作業(yè)方式的生產(chǎn)耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表

從表1 可以看出，采用虛擬立體像對(duì)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，3 個(gè)人平均完成地形圖采集任務(wù)耗時(shí)3.87 h；而采用實(shí)景三維模型進(jìn)行同一任務(wù)采集平均耗時(shí)為3.33 h，較虛擬立體像對(duì)方式采集少耗時(shí)0.54 h。按照每天工作8 h 計(jì)算，采用實(shí)景三維模型平均每天可以多完成1.3 h 的任務(wù)量，對(duì)于大面積地形圖測(cè)量任務(wù)來說，采用采用實(shí)景三維模型生產(chǎn)大比例尺地形圖，效率有大幅度的提高。

2.6 外業(yè)工作量

地形圖采集的外業(yè)工作量主要集中在漏測(cè)地物補(bǔ)測(cè)、植被屬性調(diào)繪、建筑物屋檐改正等方面。

傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量是從空中垂直地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，由于視角原因，很難拍攝到房檐，因此建筑物屋檐無法在內(nèi)業(yè)進(jìn)行改正。對(duì)于漏測(cè)地物，一部分是由于航攝影像本來較模糊，無法對(duì)井蓋等進(jìn)行識(shí)別；另一部分是由于遮擋原因，無法進(jìn)行矢量化。

采用傾斜攝影測(cè)量方式，由于其多角度、全方位對(duì)地物進(jìn)行拍攝，因此，建筑物屋檐改正可以在內(nèi)業(yè)完成，漏測(cè)地物補(bǔ)測(cè)也有絕大部分可以在內(nèi)業(yè)完成，這樣較垂直攝影測(cè)量方式來說，外業(yè)工作量可以大大減小。

2.7 精度分析

采用垂直攝影測(cè)量方式，利用旋翼無人機(jī)，搭載5 鏡頭相機(jī)進(jìn)行航空攝影測(cè)量，提取下視鏡頭影像數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行空中三角測(cè)量加密，然后采用虛擬立體像對(duì)方式進(jìn)行全要素1∶500 地形圖采集；采用傾斜攝影測(cè)量方式，利用5 鏡頭相機(jī)生產(chǎn)實(shí)景三維模型，然后采用裸眼測(cè)圖方式進(jìn)行全要素1∶500 地形圖采集。

根據(jù)120 個(gè)平高檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用同精度中誤差計(jì)算公式對(duì)兩種作業(yè)方式生產(chǎn)的地形圖成果精度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：采用垂直攝影測(cè)量方式生產(chǎn)的地形圖成果，精度不能滿足1∶500 地形圖規(guī)范要求，而采用傾斜攝影測(cè)量方式生產(chǎn)的地形圖成果，精度可以滿足1∶500 地形圖規(guī)范要求；兩種方式生產(chǎn)的地形圖成果，精度均可以滿足1∶1 000 地形圖規(guī)范要求。

2.8 對(duì)比分析匯總

通過多方面的對(duì)比分析，以上內(nèi)容進(jìn)行匯總，得出兩種作業(yè)方式的對(duì)比分析統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 兩種作業(yè)方式的對(duì)比分析統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)束語

大比例尺地形圖是基礎(chǔ)測(cè)繪成果重要的組成部分，本文從垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)大比例尺地形圖出發(fā)，通過多方面的對(duì)比分析，得出兩種方式生產(chǎn)地形圖的優(yōu)缺點(diǎn)，希望可以為從事地形圖生產(chǎn)的工作人員帶來有效參考。