城市大比例尺地形圖測(cè)繪主要采用全野外數(shù)字化測(cè)量方法，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，采用該技術(shù)開展大比例尺地形圖測(cè)繪成為探索和試驗(yàn)的熱點(diǎn)課題。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影成果—數(shù)字正射影像和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，采用二三維聯(lián)動(dòng)一體化測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)地理要素的測(cè)繪和更新。以濟(jì)南市商河縣老城區(qū)30km 1 ∶500 比例尺地形圖更新為例，總結(jié)該技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪的技術(shù)流程和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 引言

作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性測(cè)繪工作，大比例尺地形圖測(cè)繪在城市規(guī)劃建設(shè)、地籍與房產(chǎn)測(cè)量、工程施工測(cè)量等領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用[1,2]。目前主流的大比例尺地形圖測(cè)繪方式有全野外數(shù)字化測(cè)圖方法、航空攝影測(cè)量方法。全野外數(shù)字化測(cè)圖方法[3]外業(yè)工作量大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)作業(yè)周期長(zhǎng)、更新速度慢等弊端。傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方法[4]主要用于1∶2000比例尺地形圖的測(cè)繪，對(duì)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(cè)繪的方式進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

近幾年，無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)以其操作便捷、成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，迅速得到推廣應(yīng)用。利用無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，繼承了無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)特點(diǎn)，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(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪主要以無(wú)人機(jī)航飛正射影像圖為底圖，內(nèi)業(yè)編輯成圖后輔以外業(yè)補(bǔ)繪調(diào)繪完成。受二維影像數(shù)據(jù)自身局限性限制，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中存在大量不可確定的信息，如建筑物層數(shù)、房檐改正距離等，需要通過外業(yè)補(bǔ)繪調(diào)繪完成[7,8]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，使得成果數(shù)據(jù)從二維空間升級(jí)至三維空間，可全方位、立體化還原地物特征，進(jìn)一步減少外業(yè)工作量，加快數(shù)據(jù)采集速度。

本文以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果為基礎(chǔ)，采用二三維聯(lián)動(dòng)一體化測(cè)圖模式，進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，實(shí)踐證明該技術(shù)方法可靠性強(qiáng)，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無(wú)人機(jī)技術(shù)[9]具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、準(zhǔn)入門檻低和便捷性高等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)的結(jié)合，帶動(dòng)了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，大大降低了實(shí)景三維數(shù)據(jù)的獲取難度，從而提高了數(shù)據(jù)的適用范圍。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)使用無(wú)人機(jī)攜帶航攝儀獲取多個(gè)角度的像片，利用計(jì)算機(jī)視覺理論識(shí)別同名像點(diǎn)，結(jié)合POS 數(shù)據(jù)或地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，恢復(fù)立體模型，可同步獲取同一區(qū)域的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)等多種類型的成果數(shù)據(jù)[10]?；谝韵聝煞矫娴奶攸c(diǎn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)滿足大比例尺地形圖測(cè)繪的高精度要求。一方面，航飛數(shù)據(jù)采集時(shí)航高較低且像片重疊度高，重建過程中多余觀測(cè)量多，重建數(shù)據(jù)的內(nèi)符合精度高;另一方面，建模過程中加入了POS 數(shù)據(jù)和高精度地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)輔助，使得數(shù)據(jù)輸出時(shí)具有高精度的位置信息。

3 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測(cè)圖技術(shù)流程

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測(cè)圖技術(shù)流程主要包括資料收集與分析、像控點(diǎn)布設(shè)、無(wú)人機(jī)航空攝影、實(shí)景三維建模、基于實(shí)景三維建模成果的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集以及外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪工作，如圖1 所示。

圖1 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例尺地形圖測(cè)圖技術(shù)流程

3. 1 資料收集與分析

收集測(cè)區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)資源，包括數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)、影像圖數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、測(cè)區(qū)自然人文地理情況等?；谏鲜鲂畔ⅲ瓿梢韵聝身?xiàng)工作:①根據(jù)測(cè)區(qū)的地物分布情況，主要依據(jù)道路網(wǎng)的分布，大致確定無(wú)人機(jī)的起降場(chǎng)地范圍和行車路線;②根據(jù)成果要求精度水平和相機(jī)主距、像元大小等參數(shù)，計(jì)算航飛高度。此外，需要重點(diǎn)關(guān)注測(cè)區(qū)范圍內(nèi)是否分布有高層建筑或較高信號(hào)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(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)策略取決于建模精度需求、是否有POS 數(shù)據(jù)輔助、像幅大小等因素。對(duì)于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，目前多采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的像控點(diǎn)布設(shè)法，即測(cè)區(qū)四周布設(shè)平高點(diǎn)，內(nèi)部布設(shè)一定數(shù)量的平高點(diǎn)或高程點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，對(duì)于一般地形區(qū)域，采用間隔10 000個(gè)像素布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)的方法進(jìn)行加密。

根據(jù)擬定的像控點(diǎn)布設(shè)方法，并結(jié)合已有資料，在影像圖上大致確定像控點(diǎn)的預(yù)設(shè)范圍。關(guān)于像控點(diǎn)的位置選取，在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)盡量選擇平整地面明顯標(biāo)志點(diǎn)，如斑馬線角點(diǎn)、檢修井中心點(diǎn)等地面點(diǎn)點(diǎn)位。當(dāng)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)不易尋找標(biāo)志明顯的特征點(diǎn)時(shí)，可使用油漆在地面繪制人工標(biāo)記或使用像控紙作為像控點(diǎn)。圖2為典型像控點(diǎn)選點(diǎn)示意圖。

圖2 像控點(diǎn)選點(diǎn)示意圖

3. 3 無(wú)人機(jī)航空攝影

根據(jù)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況確定無(wú)人機(jī)航空攝影分區(qū)，分區(qū)時(shí)保證像控點(diǎn)分布均勻，一般優(yōu)先選擇路網(wǎng)作為分界線。根據(jù)內(nèi)業(yè)初步擬定的無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇視野開闊、周圍遮擋小、無(wú)明顯信號(hào)干擾、遠(yuǎn)離人群和建筑物的地方作為無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地，著重避開高層建筑及信號(hào)塔。對(duì)于進(jìn)行實(shí)景三維建模，一般采集5 個(gè)視角的影像，分別包含1 個(gè)正射角度和4 個(gè)傾斜角度。

無(wú)人機(jī)航空攝影時(shí)，按照設(shè)定的航飛高度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中航向重疊度一般設(shè)定為70% ～ 80%。旁向重疊度設(shè)定為60%～70%。

3. 4 實(shí)景三維建模

實(shí)景三維建模過程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、建模輸出三個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要是整理航飛影像數(shù)據(jù)、相機(jī)文件、POS 數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，使其滿足軟件平臺(tái)的要求。將整理后的數(shù)據(jù)載入實(shí)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(shí)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(diǎn)數(shù)據(jù)刺點(diǎn)至對(duì)應(yīng)的像片，要求各個(gè)視角均選刺一定數(shù)量的像片。刺點(diǎn)完成后，運(yùn)行空三加密，軟件自動(dòng)進(jìn)行多視角影像密集匹配、區(qū)域網(wǎng)平差，確定像片之間的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系?？杖瓿珊?，可在軟件平臺(tái)查看空三點(diǎn)的密度圖，如圖3 所示。

圖3 空三點(diǎn)的密度示意圖

基于原始影像數(shù)據(jù)和空三成果，經(jīng)三維TIN 構(gòu)建、自動(dòng)紋理映射等流程，生產(chǎn)制作實(shí)景三維模型及其派生數(shù)據(jù)，包括正射影像、數(shù)字表面模型、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)。其中實(shí)景三維模型和其對(duì)應(yīng)的正射影像將作為大比例尺地形圖測(cè)繪的數(shù)據(jù)源。

3. 5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采用二三維聯(lián)動(dòng)一體化測(cè)圖模式進(jìn)行采集，即利用分屏方式分別加載正射影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，并使其同步，可實(shí)現(xiàn)二維或三維狀態(tài)下的地形圖測(cè)量。數(shù)據(jù)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(diǎn)或特征線，并借助地物本身和地物之間的幾何關(guān)系，繪制完成地物。對(duì)于地貌信息的采集，由于實(shí)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(diǎn)完成。常用的二三維一體化測(cè)圖軟件有EPS 地理信息工作站、航天遠(yuǎn)景三維智能測(cè)圖系統(tǒng)、Dp-Modeler 等。

圖4 數(shù)據(jù)采集界面示意圖

3. 6 外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需通過外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪工作檢核內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)成果，對(duì)于內(nèi)業(yè)無(wú)法測(cè)量、識(shí)別的地物通過外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地確認(rèn)，主要關(guān)注以下幾個(gè)方面:

(1)對(duì)內(nèi)業(yè)預(yù)判的地形圖要素進(jìn)行核查、糾錯(cuò)、定性;

(2)對(duì)內(nèi)業(yè)漏測(cè)和難以準(zhǔn)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(shí)景三維模型的局部變形、模糊，導(dǎo)致少量地物要素難以準(zhǔn)確采集的情況。部分線狀懸空的地物，如電力線等，實(shí)景三維建模難度大，難以從模型中準(zhǔn)確辨別其走向和連接關(guān)系的情況。

(3)對(duì)內(nèi)業(yè)難以獲取的屬性信息(如地理名稱等)進(jìn)行調(diào)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(shí)踐與分析

以商河縣老城區(qū)30 km2 1∶500比例尺地形圖測(cè)繪為例，論述項(xiàng)目實(shí)施過程以及成果的精度評(píng)定。測(cè)區(qū)地處山東省濟(jì)南市商河縣，屬華北沖積平原，境內(nèi)無(wú)高山和丘陵，地勢(shì)平坦。測(cè)區(qū)位于商河縣主城區(qū)，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，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(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)策略，像控點(diǎn)均勻散布整個(gè)測(cè)區(qū)，各像控點(diǎn)間距控制在400 m以內(nèi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)區(qū)范圍共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)460 個(gè)。

項(xiàng)目采用DJI Phantom 4 Professional 四旋翼無(wú)人機(jī)多角度影像數(shù)據(jù)采集方案，分別包含1 個(gè)正射角度與4 個(gè)傾斜角度，相對(duì)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(shí)間均控制在上午9:00～ 16:00 之間。結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際情況，選擇以硬化路面為分界線，將測(cè)區(qū)劃分為29 個(gè)航飛子測(cè)區(qū)實(shí)施航攝任務(wù)。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(shù)據(jù)與有效建模面積之間的數(shù)量關(guān)系基本維持在4 000 張/km2。

實(shí)景三維建模使用Context Capture 軟件，將航飛數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)載入軟件平臺(tái)，經(jīng)空中三角測(cè)量、實(shí)景三維建模等環(huán)節(jié)，共制作完成30 km2 實(shí)景三維建模成果，輸出正射影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。

基于上述兩類成果，在EPS 軟件平臺(tái)三維測(cè)圖模塊進(jìn)行大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采集，隨后經(jīng)調(diào)繪與補(bǔ)繪，完成最終的1 ∶ 500比例尺地形圖成果。由于項(xiàng)目航飛數(shù)據(jù)采集時(shí)間為冬季，植被遮擋情況較少，一定程度上減少了外業(yè)補(bǔ)繪與調(diào)繪的工作量。

4. 2 精度評(píng)定

為評(píng)價(jià)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的大比例地形圖測(cè)繪方法的精度水平，對(duì)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(diǎn)法分別進(jìn)行平面和高程精度檢測(cè)。

平面精度檢測(cè)共檢測(cè)明顯地物點(diǎn)1273 個(gè)，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(cè)量規(guī)范》(CJJ /T8-2011)規(guī)定的地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差(±0.25 m)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

高程精度檢測(cè)共檢測(cè)高程點(diǎn)2322 個(gè)，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(cè)量規(guī)范》(CJJ /T8-2011)規(guī)定的高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差(±0.15 m)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。

經(jīng)檢驗(yàn)，該項(xiàng)目的精度達(dá)到規(guī)范“優(yōu)級(jí)品”的要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過大量的實(shí)踐證明，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，能夠滿足規(guī)范精度要求，是地形圖測(cè)繪技術(shù)的重大嘗試和成功應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn):

(1)作業(yè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度小。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)響應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)獲取快捷，作業(yè)效率提升。與傳統(tǒng)的大比例尺地形圖測(cè)繪方法相比，應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以大幅降低外業(yè)工作量和工作強(qiáng)度。

(2)數(shù)據(jù)采集直觀、全面。通過正射影像數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和編輯。

(3)數(shù)據(jù)精度高，干擾性因素少。地形圖測(cè)量時(shí)經(jīng)常遇到現(xiàn)場(chǎng)不配合或者地形地貌過于復(fù)雜的現(xiàn)象，從而難以確保地形圖的準(zhǔn)確性。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪，通過非接觸模式二三維環(huán)境作業(yè)，可準(zhǔn)確定位地物特征點(diǎn)位，確保數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為植被較為茂盛的季節(jié)時(shí)，由于植被遮擋造成的實(shí)景三維模型難以表達(dá)的地物，仍需要通過補(bǔ)繪和調(diào)繪的形式進(jìn)行補(bǔ)充。