倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用

摘要：作为国际测绘领域近些年新兴的高新技术，倾斜摄影测量技术已应用于城市快速三维建模中。由于目前常用的大比例尺地形图测绘方法不能同时满足快速成图的时间和成本要求，本文提出了一种利用倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图方法，充分发挥无人机倾斜摄影测量技术灵活、成本低、高效的优点，倾斜影像可自动生成三维模型和点云，简化了后续绘图工作。评定试验得到的岢岚县大比例尺地形图可知，成果平面精度达到0.140 m，高程精度达到0.150 m，符合大比例尺地形图精度要求，适合快速测绘小区域大比例尺地形图。

摘要： 作为国际测绘领域近些年新兴的高新技术，倾斜摄影测量技术已应用于城市快速三维建模中。由于目前常用的大比例尺地形图测绘方法不能同时满足快速成图的时间和成本要求，本文提出了一种利用倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图方法，充分发挥无人机倾斜摄影测量技术灵活、成本低、高效的优点，倾斜影像可自动生成三维模型和点云，简化了后续绘图工作。评定试验得到的岢岚县大比例尺地形图可知，成果平面精度达到0.140 m，高程精度达到0.150 m，符合大比例尺地形图精度要求，适合快速测绘小区域大比例尺地形图。

关键词： 倾斜摄影测量技术;大比例尺地形图;实景三维模型;点云;绘图工艺

大比例尺地形图含有详细的地形要素和地理信息，是城市规划、市政公用事业、土地管理必不可少的基础资料 [1-2] 。目前常用的大比例尺地形图测绘方法均面临着工作效率低，成图周期长，不能快速测图的紧迫问题 [3] 。如航空摄影测量技术测绘小面积地形花费的人力物力成本高，精度上不能满足1∶500地形图的测量精度 [4] ;GPS-RTK 存在卫星限制、地物干扰、缺少多余观测、高程数据不准确等问题 [5-7] ;遥感影像分米级的分辨率不能测绘大比例尺地形图;三维激光扫描测图人工勾绘过程有局部地形精度损失且设备价格高技术难普及。

作为国际测绘领域一项高新技术，倾斜摄影测量技术(oblique photography technique)因其能快速、高效获取客观丰富的地面数据信息，近年来在信息化测绘领域进行了诸多探索 [8] 。该技术颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过搭载多台传感器从一个垂直、多个倾斜等不同角度采集影像.获得具有较高分辨率、较大视场角、更详细的地物信息数据 [9-11] 。在拍摄相片的同时.机载传感器记录下航高、航速、航向和旁向重叠、坐标等参数，嵌入地理信息、影像信息，使影像数据真实地反映地物情况 [12] 。利用倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图，充分发挥无人机成本低、灵活、拍摄范围广、飞行速度慢等一系列优点 [13-14] ，人工后处理数据简单，工作量减少，测图周期短，成图速度快，适合地形条件复杂的小面积地域航测。文献[15]采用固定翼无人机低空飞行采集影像，经过像片控制测量、空三加密制作高分辨率DOM 并由此采集特征点线，但该文没有进行绘制、评定地形图工作，忽略了人工绘图过程中的误差。文献[16]用无人机采集影像，导入DPGrid 系统空三，成果导入VirtuoZo NT 软件釆集地形要素。由于无人机航摄外方位元素误差较大、图像畸变较大等问题，大比例尺地形图的高程精度无法满足现行规范要求。

本文针对传统测图方法难以满足快速高效测绘大比例尺地形图的实际需求，提出基于倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图方法，研究了该方法具体的生产流程。与其他无人机测图手段不同，该方法通过无人机航测系统采集的数码影像(包括垂直影像和倾斜影像)自动生成地物点云和实景三维模型，由此识别地物轮廓范围和类别信息完成采集工作。为了验证本文所提方法的可用性，通过岢岚县数据采集与处理试验对本方法进行验证分析，试验结果说明，本文方法绘制的大比例尺地形图精度满足规范要求，成图效率大大提高。

1　倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图工艺

传统大比例尺地形图测绘工艺可概括为“三内二外”，即内业收集资料，根据测区概况设计技术方案;外业采集数据;绘制草图;内业分类矢量化地物，包括配准、空三、格式转换等;外业调绘，反馈位置、类别信息;内业分幅整饰，存储成果。

倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图工艺与传统测图方法相似，但流程更加简化，包括以下工艺：

(1) 外业作业前，首先要收集测区资料，包括控制点成果、坐标系统和高程基准参数、已有的地形图成果与地名资料等，制定无人机航飞技术方案并申请空域，明确无人机搭载的传感器、地面分辨率、影像重叠度、飞行航高航带架次数、影像拍摄间隔等问题。

( 2) 外业工作人员按逐航带或测区面积布设像控点，然后依照技术方案的安排，用无人机搭载多传感器从一个垂直、多个倾斜等不同角度采集地形数据，充分发挥无人机倾斜摄影测量技术灵活高效特点，工作时长以小时为单位，不同以往大比例尺地形图外业测绘按天数计算，缩短项目周期，测绘人员只需无人机飞手和少量作业员，与传统测图方法按测区面积配备一定比例的外业人员相比，人员数量减少，节约项目成本。

(3) 内业空三加密、生成点云、建立实景三维模型等操作均可待数码倾斜影像导入软件后由软件自动解算完成，通过多视影像联合平差技术进行倾斜影像区域网平差、多视影像密集匹配技术得到高精度高密度点云数据，还可以采用联机运算缩短数据处理时间。绘制地图过程需作业员手动完成，以三维模型和点云作参照，速度大大提升。

(4) 通过实景三维模型可清晰辨别地物位置和类别信息，外业调绘补测工作量减少，绘图中遇到疑问需记录下来，交给外业工作人员核查。

(5) 完成大比例尺地形图分幅整饰等工作后，提交质检部门检查成果的数学精度、属性精度、地理精度、附件质量等是否符合大比例尺地形图规范要求，验收合格才能保存使用，倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图流程如图1 所示。

图1　倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图流程

2　试验与结果分析

2.1　试验概况

试验测区位于山西省忻州市岢岚县，测区面积约1.080 km ² 。岢岚县位于山西省忻州西南部，地势东南高，西北低，境内以山地和丘陵为主。全县山地1140 k m ² ，丘陵面积799 k m ² ，平原45 k m ² 。为保护县城古城墙，岢岚县政府要求快速测绘城区1 ∶ 500地形图，测区如图2 所示的大多边形区域，古城墙位于大区域中心小矩形区域。

图2　基于倾斜摄影测量技术快速测绘1∶500地形图试验测区位置

试验使用六旋翼航测无人机搭载倾斜双相机，利用两台全画幅相机依次前下后摆动60°，一个周期采集6 张不同角度的地物航空影像，达到6 台相机同时工作的效果，原理如图3 所示。

图3　倾斜双相机周期摆动设计工作原理

无人机飞行5 架次，设计航高100 m，航向重叠率80%以上，旁向重叠率60%以上，采集到真彩色航空像片9236 张，POS 数据5688 个，地面分辨率为1.95 cm，飞行信息见表1。

无人机倾斜摄影测量系统自身特点决定影像处理方式与传统航测方法不同，本文采用Smart3D Capture 软件完成空三、实景三维模型建立、点云生成，导入Geoway 3D Mapping 软件完成地理要素矢量化、地形图分幅整饰等，试验技术流程如图4所示。

图4　倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图试验技术流程

试验第一个关键技术是将POS 检校解算后的倾斜像片导入Smart3D Capture 软件中进行空三加密、模型快速化一体生产、模型数据局部修整及少量人工干预处理，联机运算一周由9236 张1 k m ² 的真彩色航空像片生成点云和OSG 格式的实景三维模型，如图5 所示。

图5　利用Smart3D Capture 软件生成的试验测区实景真三维场景图

试验第二个关键技术是将实景三维模型和点云导入Geoway 3DMapping 软件中，按照《国家基本比例尺地图图式第1 部分:1 ∶ 500、1 ∶ 1000、1 ∶ 2000地形图图式GB 20257.1—2007》规范中1 ∶ 500 地形图要求，参照点云和三维模型完成全要素矢量化采集，数学基础见表2。

测区在县城中心，地物类主要是房屋、道路和植被，没有复杂地形。1 k m ² 的测区由5 名采编员耗时5 d 手动采集整饰，得到6.08 MB 的DWG 文件，成果如图6 所示。

图6　Geoway 3DMapping 软件矢量化采集成果--数字线划图

整理完成的数字线划图，汇集需补测的问题交给外业调绘补测，最后修改整饰地形图，完成测图工作。

2.2　大比例尺地形图精度评定

完成地形图测绘后，首先需评定1 ∶ 500 地形图成果的数学精度。根据工程摄影测量规范，平面点位精度和高程注记点精度要求见表3。

选取同样技术流程测绘的1 ∶ 1000 岢岚湿地公园地图中均匀分布的20 个检查点评定数学精度，基本等高为1 m，平面和高程误差统计见表4，误差统计图如图7 所示。

图7　地物检查点平面和高程误差统计图

平面中误差在图上距离为0.28 mm，小于图上0.6 mm(一般地区平坦地);高程中误差小于0.333 m(1/3 基本等高距)。图7 中，高程中误差相较平面中误差波动大，说明该方法高程精度比平面精度低，但高程中误差0.150 m 满足规范要求，数据有效证明了该方法可行。

大比例尺地形图数学精度评定完成后，需要进行属性精度检查、地理精度检查、整饰质量检查、附件质量检查等，最终提交成果进行大比例尺地形图质量评定。

通过检查数据可知，本文利用倾斜摄影测量技术测绘的大比例尺地形图符合工程摄影测量规范中对基本精度的要求，保证了成果数学精度?综合该方法省时高效的特点，适合小区域快速测绘大比例尺地形图。

3　总　结

本文提出利用无人机航测系统拍摄测区倾斜影像生成实景三维模型和点云数据，并且由此测绘大比例尺地形图方法，试验证明成果精度达到了大比例尺地形图质量要求。结合大比例尺地形图测绘实际，与其他传统测图技术相比，成图时间减少一半以上，人员减少4/5。特别是外业采集数据阶段，传统测图技术需要根据测区面积大小配备相应数量的测图人员，采用无人机测图只需3~4 人，降低了测图成本，特别适用于小区域快速测绘大比例尺地形图。

目前，该方法还存在无人机飞行作业受天气影响较大、无人机飞行姿态不稳定需搭载IMU 装置保证高程精度、矢量化采集过程非自动化等问题，未来相关硬件软件难题的深入研究将为推广倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图提供条件。