傾斜攝影測量及機(jī)載雷達(dá)在地形圖繪制中的綜合應(yīng)用

摘" 要：基于無人機(jī)傾斜實(shí)景模型的數(shù)據(jù)采集，目前已經(jīng)廣泛用于基礎(chǔ)測繪、地形圖繪制、城市規(guī)劃和土地確權(quán)等各類業(yè)務(wù)。而對于植被茂密的區(qū)域，可見光攝影測量則展現(xiàn)出短板，而激光雷達(dá)可以穿透部分植被，獲取真實(shí)地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將傾斜攝影測量和雷達(dá)掃描二者的成果相結(jié)合，將大大提升三維實(shí)景模型的精度，從而提高大比例尺地形圖的成圖精度，該文以實(shí)例簡要介紹傾斜攝影測量和機(jī)載雷達(dá)綜合成圖的方法。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量；機(jī)載雷達(dá)；地形圖；三維實(shí)景模型；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：P231" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0170-04

Abstract： Data acquisition based on UAV tilt model has been widely used in basic surveying and mapping， topographic mapping， urban planning， land rights determination and other services. For areas with dense vegetation， visible light photogrammetry shows shortcomings， while LiDAR can penetrate part of the vegetation to obtain 3D point cloud data on the real surface， combining the results of tilt photogrammetry and radar scanning， which will greatly improve the accuracy of the 3D real scene model， so as to improve the mapping accuracy of large-scale topographic maps. This paper briefly introduces the method of tilt photogrammetry and airborne radar integrated mapping with examples.

Keywords： tilt photogrammetry; airborne radar; topographic map; 3D real scene model; data acquisition

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，傾斜攝影測量及機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用而生，通過低空無人機(jī)搭載不同的數(shù)據(jù)采集平臺，快速獲取測區(qū)多角度影像數(shù)據(jù)及地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]，運(yùn)用自動實(shí)景三維建模和三維模型立體測量技術(shù)，完成實(shí)景三維模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高精度大比例尺地形圖的測繪[2-3]。相對于單一傾斜攝影測量方式建模，融合了雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型，集傾斜攝影測量的高效性和雷達(dá)掃描的精確性為一體，有效解決了模型中出現(xiàn)的空洞、畸變、扭曲等問題，在三維模型精度保障方面具有極大優(yōu)勢[4-5]。

1" 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是指通過航空攝影的方式，從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體準(zhǔn)確的位置、輪廓、紋理等信息。在日常工作中常用的方式有兩種，一種在飛行平臺上搭載多鏡頭的相機(jī)，在多鏡頭中，5鏡頭相機(jī)最為常見，其由1個(gè)下視和4個(gè)側(cè)視相機(jī)組成。下視鏡頭獲取垂直影像，其余4臺從前后左右4個(gè)方向同時(shí)獲取地物的側(cè)視影像，可以較完整地從多個(gè)角度獲取地物側(cè)面的輪廓及紋理等數(shù)據(jù)。另一種是采用單鏡頭固定角度多向飛行的方式，或通過降低飛行速度在單向航線上配合云臺進(jìn)行多角度擺拍從而實(shí)現(xiàn)傾斜影像的采集。

在獲取相關(guān)影像的同時(shí)，結(jié)合搭載的定位定姿裝備，獲取高精度的POS數(shù)據(jù)，然后利用專業(yè)的建模軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型的生產(chǎn)?；谌S模型便可以有效地輸出數(shù)字地表模型（DSM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）及數(shù)字線劃地圖（DLG）數(shù)據(jù)類型，并開展一系列測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2" 機(jī)載激光雷達(dá)測量

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）是一種主動式測繪地表空間信息的技術(shù)手段，在空中對地物主動發(fā)射高頻率的激光光束，利用從地物反射的回波測出激光掃描儀到地物的距離，結(jié)合POS系統(tǒng)獲取的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)而準(zhǔn)確地推算出地物點(diǎn)的空間位置。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是激光雷達(dá)技術(shù)中最直接的數(shù)據(jù)成果，即在物體表面形成位置精確的密集點(diǎn)云，點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差率小，整體精度高，可以直接進(jìn)行數(shù)字高程模型（DEM）和DOM的生產(chǎn)。機(jī)載激光雷達(dá)有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢，雷達(dá)光束可以從植被縫隙中穿透到達(dá)地面，形成回波，從而具有穿透植被的能力，針對植被茂密地區(qū)或細(xì)小物體，如電力線等在數(shù)據(jù)獲取時(shí)獨(dú)具優(yōu)勢[6]。

在實(shí)際應(yīng)用中，部分廠商將數(shù)碼相機(jī)與激光雷達(dá)集成在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，同時(shí)獲取地物目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高光譜影像數(shù)據(jù)，建立2種不同維度數(shù)據(jù)間的映射關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云著色，彌補(bǔ)了激光點(diǎn)云缺少光譜信息的缺陷，提高目標(biāo)的探測能力。

3" 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1" 測區(qū)概況

某道路改造擴(kuò)建項(xiàng)目，測區(qū)地理位置屬甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣，毗鄰平綿高速，測量區(qū)域占地約1 400畝（1畝約等于667 m2），區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、梁峁起伏、川梁相間，整體地勢西南高東北低；場區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔約為1 730 m，相對高差最多可達(dá)200 m，沿山地走勢大面積為梯田及作物覆蓋，區(qū)域內(nèi)有居民地、廠房、農(nóng)田、高速公路、果園、公共綠地及防護(hù)綠地等。

3.2" 方案設(shè)計(jì)

為了獲取測區(qū)高質(zhì)量航片，本次任務(wù)選用大疆經(jīng)緯M300 RTK飛行平臺，搭載賽爾PSDK 102S V3五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，同時(shí)選用大疆禪思L1機(jī)載激光雷達(dá)。大疆經(jīng)緯M300 RTK抗風(fēng)性能優(yōu)異，續(xù)航時(shí)間長，最高可提供平面1 cm+1 ppm，高程1.5 cm+1 ppm的定位精度，搭載的大疆禪思L1最大測量距離450 m，最大支持三回波，有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)率可達(dá)240 000點(diǎn)/s。賽爾PSDK 102S V3 五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，標(biāo)稱像素1.25億，得益于云臺的加持，在飛行時(shí)能保證相機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定，可保證穩(wěn)定高效完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

本項(xiàng)目采用航跡大師（Waypoint Master）提前進(jìn)行航線規(guī)劃。將測區(qū)范圍KML文件導(dǎo)入WPM，由于測區(qū)高差起伏較大，為保證影像質(zhì)量，此次航攝采用仿地飛行，地形文件選用WGS84坐標(biāo)系的12.5 mDEM，選擇相機(jī)型號，設(shè)置像片航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，在DEM上提前選擇起飛點(diǎn)大概位置量取高程并輸入，航線大致按攝區(qū)走向直線方法鋪設(shè)，并按需精細(xì)調(diào)整主航線角度及邊距設(shè)置，平行于攝區(qū)邊界線的首末航線必須確保擺拍時(shí)側(cè)視鏡頭角度能獲得測區(qū)有效影像，為保證五相機(jī)數(shù)據(jù)采集效果，邊距需與飛行高度保持一致。調(diào)整好航線參數(shù)后點(diǎn)擊生成相應(yīng)的仿地飛行航線任務(wù)，以同樣的方式生成雷達(dá)仿地飛行航線。

3.3" 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在本項(xiàng)目中，需要采集3部分外業(yè)數(shù)據(jù)，即像控點(diǎn)坐標(biāo)、航攝影像、雷達(dá)點(diǎn)云。

像控點(diǎn)布設(shè)的好壞對后期成圖起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，若像控點(diǎn)分布不均或過于稀疏，將會導(dǎo)致模型翹曲、扭轉(zhuǎn)、平差數(shù)據(jù)不能達(dá)到精度要求等后果出現(xiàn)。本次像控點(diǎn)布設(shè)是采用影像與實(shí)地測量相結(jié)合的辦法，首先在既有影像上規(guī)劃選點(diǎn)，選擇對空通視良好且可以明確辨認(rèn)的地物點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，避免被建筑物或樹木等地物遮擋，使其均勻分布，有效地控制測區(qū)，以及保證不同架次之間的重疊區(qū)域內(nèi)有像控點(diǎn)。然后到實(shí)地噴繪測量所選擇的像控點(diǎn)，像片控制點(diǎn)噴繪采用“L”型，選刺“L”型外角點(diǎn)，測區(qū)共設(shè)置像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)15點(diǎn)，像控點(diǎn)編號為XK1～XK7，檢查點(diǎn)編號為J8～J15，字頭向北噴繪于標(biāo)識旁。

像控點(diǎn)坐標(biāo)采用GPS+CORS站模式采集，本項(xiàng)目平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，中央子午線105°，3°分帶，高程系統(tǒng)采用“1985國家高程基準(zhǔn)”。根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，水平精度應(yīng)達(dá)到±10 mm+2 ppm；垂直精度±20 mm+2 ppm。實(shí)際操作中，應(yīng)在得到RTK固定解且收斂穩(wěn)定后開始觀測，連續(xù)平滑觀測時(shí)間不應(yīng)少于15 s，每點(diǎn)觀測不少于兩回，兩回測得結(jié)果取平均值作為該像控點(diǎn)測量最終成果。

接下來進(jìn)行傾斜影像的獲取，參照航線設(shè)計(jì)，選擇平坦開闊處作為起降點(diǎn)，將飛機(jī)和遙控器開機(jī)，完成飛行前的各項(xiàng)設(shè)置，檢查飛機(jī)各項(xiàng)功能是否正常，并對相機(jī)功能進(jìn)行手動測試，確定清空相機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)，以免測試時(shí)產(chǎn)生多余像片及飛行任務(wù)中途出現(xiàn)存儲卡滿的情況。每一架次結(jié)束后，當(dāng)飛機(jī)降落至地面，除對飛機(jī)做必要的檢查外，還需檢查相機(jī)顯示屏顯示的相機(jī)工作狀態(tài)，確定相機(jī)5個(gè)視角拍攝的照片數(shù)量一致，相機(jī)的RTK狀態(tài)為固定解。

在飛行過程中，應(yīng)時(shí)刻留意飛機(jī)傳感器各項(xiàng)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注圖傳信號強(qiáng)度和RTK狀態(tài)，檢查整個(gè)飛行過程中RTK狀態(tài)是否處于fix狀態(tài)，若飛行過程中出現(xiàn)部分區(qū)域信號弱或不能固定的情況，則需要另行架設(shè)基站并進(jìn)行后處理，以便滿足后期解算時(shí)所需要的厘米級定位精度。當(dāng)所有傾斜航線任務(wù)結(jié)束，將大疆禪思L1掛載于M300下，在遙控器上選擇相機(jī)為L1，重復(fù)上述各項(xiàng)檢查及流程執(zhí)行預(yù)先規(guī)劃好的雷達(dá)航線任務(wù)。

需要注意的是，搭載雷達(dá)和搭載相機(jī)的飛行任務(wù)略有不同，L1在起飛前需要靜置預(yù)熱幾分鐘，并且等其完成慣導(dǎo)校正后再開始任務(wù)。實(shí)際應(yīng)用中，飛行高度與精度近似線性關(guān)系，在保證飛行安全的情況下，可適當(dāng)降低航高；飛行速度與點(diǎn)云密度近似反比關(guān)系，如發(fā)現(xiàn)采集的點(diǎn)云密度不夠，可適當(dāng)降低飛行速度。

3.4" 數(shù)據(jù)處理與三維建模

在外業(yè)航飛結(jié)束后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量和生成三維模型，本次數(shù)據(jù)處理采用大疆智圖軟件，其特點(diǎn)為處理效率高、操作簡便、重建效果好。

在預(yù)處理階段需要對影像質(zhì)量進(jìn)行檢查，是否清晰，有無大范圍的模糊遮擋現(xiàn)象，檢查影像和POS數(shù)據(jù)是否對應(yīng)。若出現(xiàn)光線反差較為明顯，則需對部分質(zhì)量較低的影像進(jìn)行勻光勻色處理。

對影像進(jìn)行預(yù)處理之后，將像片導(dǎo)入大疆智圖，更改輸出坐標(biāo)系與像控點(diǎn)坐標(biāo)系保持一致，進(jìn)行免像控空三解算，即利用航拍影像提取特征點(diǎn)及匹配特征點(diǎn)，將特征點(diǎn)進(jìn)行連接，從而計(jì)算外方位元素，將測區(qū)的所有影像納入統(tǒng)一的坐標(biāo)系?？杖幚砗?，能快速判斷原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量是否滿足項(xiàng)目需求以及是否需要增刪影像。

將外業(yè)測得的像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行整理，按照大疆智圖像控點(diǎn)文件的格式要求，像控點(diǎn)文件中的信息應(yīng)遵循每行從左至右分別為像控點(diǎn)名稱、緯度/X/E、經(jīng)度/Y/N及高程/Z/U。將整理好的像控點(diǎn)文件導(dǎo)入，進(jìn)行刺點(diǎn)，即把外業(yè)采集的像控點(diǎn)的地理坐標(biāo)與該點(diǎn)所在的像片相關(guān)聯(lián)的過程。每個(gè)像控點(diǎn)選刺8～10張較為清晰的照片即可，再次進(jìn)行空三，根據(jù)空三結(jié)果，選擇是否進(jìn)行優(yōu)化，重復(fù)刺點(diǎn)、優(yōu)化的步驟幾次，當(dāng)空三質(zhì)量報(bào)告達(dá)到要求后，即可進(jìn)行三維建模。

三維建模是將采集的航飛遙感影像、相機(jī)數(shù)據(jù)及空三解算數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域平差，進(jìn)行影像匹配，從而構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，最后對TIN網(wǎng)模型實(shí)行自動紋理映射，建立相片二維平面坐標(biāo)與三維白膜間的數(shù)學(xué)關(guān)系，將高分辨率影像的灰度值直接解算至三維立體模型，得到具有高精度紋理的三維模型，通過三維建模得到多種格式的三維模型，在項(xiàng)目中我們僅勾選OSGB格式。

雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，相對更為簡便，只需在大疆智圖激光雷達(dá)點(diǎn)云處理模塊中將整個(gè)任務(wù)目錄導(dǎo)入，選擇輸出坐標(biāo)系，打開點(diǎn)云精度優(yōu)化，勾選LAS格式，然后點(diǎn)擊開始處理即可完成。

傾斜攝影技術(shù)與地面激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行融合建模的本質(zhì)是利用無人機(jī)影像生成的稀疏點(diǎn)云與激光雷達(dá)點(diǎn)云融合，最后生成更高精度的三維模型。將大疆智圖處理好的LAS點(diǎn)云文件，直接拖入到3DF窗口中，將兩者統(tǒng)一到相同坐標(biāo)系下，選擇“合并”。檢查攝影測量的點(diǎn)云與激光雷達(dá)點(diǎn)云是否貼合，有無錯層、分層現(xiàn)象，選中攝影測量點(diǎn)云與激光雷達(dá)點(diǎn)云，右鍵彈出菜單中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，然后進(jìn)行合并處理，再生成網(wǎng)格和紋理化網(wǎng)格即可導(dǎo)出OSGB三維模型。其實(shí)景三維模型與處理顯示圖如圖1所示。

3.5" 地形圖成果繪制

地形圖繪制相對較為簡單，本項(xiàng)目采用CASS_3D進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖，根據(jù)生成的OSGB模型直接定位地物要素的三維信息，進(jìn)行高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作，實(shí)現(xiàn)1∶1 000地形圖內(nèi)業(yè)交互式測繪。其DLG成果及模型與矢量疊加顯示如圖2所示。

3.6" 精度分析

精度分析從3方面進(jìn)行，即空三測量精度，平面精度及高程精度?？杖葟拇蠼菆D輸出的質(zhì)量報(bào)告中得知，平面和高程精度可由報(bào)告中獲得，也可采用RTK外業(yè)實(shí)測檢查點(diǎn)與地形圖上同名點(diǎn)進(jìn)行對比分析，再根據(jù)公式m=±求得中誤差。其中本項(xiàng)目中像控點(diǎn)誤差見表1，檢查點(diǎn)誤差見表2。

4" 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量和機(jī)載雷達(dá)測量，已逐漸成為低空攝影測量的主要手段，采用傾斜、多鏡頭拍攝可以獲得更加豐富、精確的地物信息，融合雷達(dá)掃描，將可見光不易到達(dá)的區(qū)域及樹木、電力線等細(xì)小地物精細(xì)的測量，配合仿地飛行有效避免了因地面分辨率不均勻產(chǎn)生的精度問題，在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化生成的實(shí)景三維模型，可以更加清晰、準(zhǔn)確地展示測區(qū)的地面情況，從而提高了模型的參考價(jià)值，進(jìn)而為大比例尺地形圖測繪、相關(guān)成果轉(zhuǎn)化等工作的開展提供必要的技術(shù)支持。

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