周金宝

（三和数码测绘地理信息技术有限公司,甘肃 天水 741000）

1 概述

近些年来,倾斜摄影测量技术在测绘领域得到了迅速发展,它改变了获取航摄影像角度的单一性,通过将多台传感器搭载在同一飞行平台上,同时从多个不同角度采集多角度、全方位影像,获取信息更加丰富、盲区更加少的航摄影像数据[1-4]。在倾斜摄影数据解算中,多视影像的密集匹配是一项至关重要的内容,它可以匹配出密集的高精度数字表面模型成果,从而对地面的起伏变化和地物的结构进行精准表达,已经成为了新一代空间数据基础设施的重要内容[5-6]。以无人机倾斜摄影技术获取的航摄像片为原始数据,通过软件自动化或半自动化解算,得到可以准确表达实际地物状态的过程,称为“倾斜摄影建模”,通过解算得到的三维模型,称为“倾斜摄影模型”,这种模型是对真实场景的准确还原,所以采用倾斜摄影方式得到的三维模型被称为真三维模型[7-9]。

传统测绘地形图主要工作量在外业,内业工作内容基本上很少,而外业作业这种方式,具有出图时间长、作业效率低、风险高、成本高、作业员劳动强度大等缺点。目前卫星影像分辨率最高可以达到0.31 米,采用卫星影像进行地形图测绘,其受影像分辨率、影像数据获取、地貌条件等的限制,仍然无法满足大比例尺地形图测绘的成图要求。采用传统航空摄影测量方式进行地形图测绘,由于其飞行高度高,因此受到空域、天气等因素的影响,且该作业方式生产地形图成本高、对作业单位的实力要求高,无法进行大规模多比例尺地形图的测绘。无人机倾斜摄影测图是基于无人机倾斜摄影建模技术应运而生的,通过无人机获取高分辨率、多角度的影像,基于严密的光束法约束平差和密集点云匹配,生产得到高精度的三维模型成果,然后直接采用裸眼的方式进行大比例尺地形图的生产。这种方式较传统垂直摄影方式地形图来说,其获取的影像角度更全,可以减少更多的外业工作量,由于其分辨率高,可以在内业完成电力线走向的判定[10]。

2 倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量是指在飞行平台上挂载倾斜航摄仪从空中对地面获取影像,然后通过一系列内业数据处理,得到实景三维模型,然后基于模型进行测绘的一门技术。飞行平台通常有有人机和无人机,无人机主要有固定翼和旋翼机；倾斜航摄仪主要有摇摆2 镜头、3 镜头、固定5 镜头和扫摆9 镜头,其中固定5 镜头使用最多。固定5 镜头相机,其中有1 个垂直于地面,称为下视镜头,其余4 个与地面呈一定的夹角,称为侧视镜头。

3 倾斜摄影测量工作流程

基于无人机进行三维模型生产的流程主要包括：接收任务、作业准备、测区勘查、空域申请、航线规划、控制测量、影像数据航摄、数据解算、控制点转刺平差、实景三维模型制作、生产地形图等,详细流程如图1 所示。

图1 倾斜摄影生产地形图流程图

3.1 像控点布设及测量

3.1.1 像控点以三角网形式分布,点位分布均匀,组网点的水平距离根据成果精度要求选择,航摄边缘及航带拐角处必须布点。

3.1.2 像控点采用布航标的形式,标志采用在硬化地面上用油漆喷绘三角符号,对于田地中的点,则在地面固定木板,在木板上喷绘相同大小的标志。

3.1.3 像控点标志的喷绘必须在航拍前完成,且与航拍的时间间隔不能太长,必须保证在航拍时标志要保存完好。

3.1.4 标志必须涂在四周平坦的地面上,且四周不能有高大的建筑物,如树,房屋等。

3.1.5 布设结束后拍2-3 张照片,用于说明布设的标志的位置,照片以布设的点号命名。

3.1.6 像控点测量结束后需提交喷绘标志的位置照片,像控点成果坐标,像控点测量的手簿原始数据。

3.2 无人机倾斜航摄

利用多旋翼、固定翼搭载高分辨率的多镜头倾斜相机,对测区进行倾斜摄影航摄,得到高分辨率的影像数据。

3.2.1 分区要求：每个航摄区域（一个架次）内的地形起伏固定翼的不能大于1/6 航高,否则必须分区航摄。

3.2.2 分辨率选择：分辨率必须优于1/3Δm,Δm为地形图精度中误差。

3.2.3 航摄时空气能见度必须高、不能有雾,房屋影子不能过大。

3.2.4 像片的旁向重叠度一般为75%-80%,航向重叠度一般为80%-85%。

3.2.5 航摄时实际航线的范围要比测区范围四周外扩1 个相对航高的距离。

3.2.6 固定翼航摄时,差分系统的基站要尽量架设在测区中间,基站运行时间不能少于2 小时。

3.3 三维模型生产

在Context Capture Center Master 软件（以下简称CC）下,利用倾斜航摄成果影像进行空三加密,点云数据提取,三角网模型的生产,纹理信息生产,真实三维模型（OSGB格式）及真正射影像的生产。

3.4 地形图生产

以倾斜摄影的实景三维模型为基础数据,在EPS等三维测图软件中直接提取地形图的各要素坐标并绘制地形图。

3.5 精度检测

主要采用全站仪、GPS-RTK 对房角、道路拐角、井盖、墙角、沟渠、喷涂靶标等明显地物特征点进行三维坐标数据的采集,然后在模型上量取相同点位坐标,统计三维模型的精度。

4 项目试验

为了验证本文方案的可行性,特选取1:500 地形图测量的项目作为试验。测区位于甘肃省天水市秦州区太京镇川口村,属于农村房屋密集区,建筑物基本为1-2 层的砖房或土房,其中砖、土房的比例约为3:2；地形为平地,植被覆盖度少。任务于2017 年7 月26 日开展,先后完成了无人机航拍、三维模型生产、DLG生产及三维模型、DLG的精度检测。

4.1 像控点布设

本次试验共布设26 个像控点,点位分布均匀,均在航摄前完成了布点及坐标测量,标志保存完整。

4.2 倾斜摄影航摄

本次实验选用四旋翼无人机进行,其主要包括地面监控站、四旋翼型无人机飞行平台、遥控设备和三镜头摆动式倾斜相机。航线规划时共规划了2 个架次,设计的相对航高为100米,航向、旁向重叠度均按照80%设置,共获得有效影像数1026张,即每个镜头获得影像数为342 张。

4.3 内业数据处理

航摄结束后,外业作业就完成了,接下来就需要进行内业数据的解算了,主要包括数据预处理、空三加密、像控点转刺及平差、实景三维模型生产和地形图采集。

4.3.1 数据预处理。通过人机交互的方式,查看影像和POS的完整性,检查是否存在漏拍、是否存在航摄绝对漏洞和相对漏洞、查看影像是否清晰,有无大范围的模糊遮挡现象。并将所获得的POS数据,利用ArcGIS软件自带的参数进行坐标系的转换,由WGS8 4 坐标系转换成CGCS2000 坐标系下对应的投影坐标系。

4.3.2 空中三测量。利用CC 软件进行连接点自动匹配,对匹配的粗差点进行剔除,然后转刺像控点并进行平差调整,得到符合规范要求的空三加密成果,其流程如下：a.新建工程。建立工程,主要是加载pos 数据、影像数据和完善相机参数,加载影像方式主要有：通过新建块,然后导入影像或选中影像文件夹进行导入；通过XML交换文件导入；通过导入块的方式导入,块中记录了影像所在位置,对应的POS数据和相机参数。导入POS可通过txt 导入,也可通过导入块导入,还有就是利用xml 交换文件导入。b.刺控制点。通过excle 在导入块时批量导入,也可以设置坐标系,然后手动导入,再进行刺点。首先选中需要转刺的控制点,双击就可以得到点位所在的影像,这种是通过POS数据解算,然后通过位置预测的影像。在影像上找到控制点对应的位置,利用鼠标左键和Shift 键的组合,完成点位的转刺。按照同样的方法,完成剩余控制点的转刺。c.空三加密。在空三加密之前,通过建立的块下面的属性,查看导入影像的一些信息,合适后提交空三任务,进行空三加密。d.提交重建任务。点击新建重建任务后,可以设置一些参数,点击空间框架后,设置模型输出范围,通过录入四角坐标或者导入kml 格式的建模范围进行建模。设置坐标系统,由于生成的模型可以投影到任意坐标系统,所以这里默认利用WGS84 坐标系统就可以,其余参数默认即可。由于倾斜影像数据量大,整个模型输出对电脑要求非常高,因此需要进行瓦片划分。本次模型输出分块选择水平划分,然后设置瓦片大小为100 米,约占内存为9g,集群电脑内存最小为16g,可以保证模型的顺利输出。

4.3.3 三维模型生产。在重建中的General 界面下,点击提交新的重建任务,在弹出的界面中,设置相应参数：a.设置输出名称（Name）：设置输出成果的名称,也可以默认；b. 输出成果（purpose）：用来选择输出成果形式,本次是建模,所以选择3D Mesh；c.在格式选项下,选择OSGB格式的模型,其他选型默认；d.后续选项保持默认,点击提交,然后打开引擎,则开始建模任务的运算。e.最终得到真实的三维模型及真正射影像。

4.3.4 地形图采集。在EPS软件中,加载生产的OSGB格式的三维模型,然后采集各个地形要素,并绘制出1:500 地形图,流程如图2 所示。

图2 EPS 软件操作流程图

4.4 精度分析

利用GPS-RTK均匀随机采集道路拐角点、房角点、墙角等特征点的三维坐标,通过和模型上的对比,对本文方案的可行性和精度进行评估。将采集的特征点坐标值导入EPS软件中,这里需要注意的是,EPS是测量坐标,因此需要对X和Y顺序进行调整。然后利用EPS中精度检测功能,设置中误差和最大误差的允许值,然后对所有的检测点精度进行检测。这是对点位精度的检测,还需对距离精度进行检测,通过外业拉尺采集边长距离,用于边长误差精度的统计。

4.4.1 相对误差。外业共实测边长138 条,其中16 条边因内业无法准确采集而进行了剔除。边长较差统计结果见表1。

表1 边长较差统计表单位：米

4.4.2 绝对精度。a.利用外业布设的像控点检测。共布设26个像控点,参与三维建模10 个,16 个作为检测点,其中2 个检测点在图上无法采集,在统计平面精度时被剔除,1 个检测点高程测量有错误在统计高程精度时被剔除。统计结果见表2-3。b.利用GPS、全站仪测量的地面特征点检测。外业使用RTK实测特征点及房角点166 个,其中有9 个点,由于三维模型不完整内业无法采集被剔除,34 个点属于测区外的模型检测点；使用全站仪实测特征点及房角点146 个,其中31 个检测点,由于模型边缘模糊内业无法采集被剔除。具体统计结果见表4-5。

表2 平面精度检测表单位：米

表3 高程精度检测表单位：米

表4 平面精度检测表单位：米

表5 高程精度检测表单位：米

通过计算有效检测点,其平面点位中误差为±0.088,高程点位中误差为±0.075 米。按照1:500 比例尺来算,《工程测量规范》(GB 50026-2007 )中允许的点位中误差的限差为0.15m ,高程中误差限差为0.16m,本次测试其精度符合规范要求。

5 结论

a.通过上述统计,三维模型的平面坐标中误差为0.088 米,高程中误差0.075 米。b.利用倾斜摄影的三维模型采集的DLG可满足1:500 的地形图精度要求。c.此实验中,95%的房屋等地物要素可准确采集,5%房屋等地物要素可以采集出来但精度不能足籍1:500 地形图要求。d.利用倾斜摄影技术生产地籍图比传统解析法减少了大量的外业工作,对内业数据的处理能力有了更高的要求,生产效率有一定的提高。e.农村土围墙、门顶、院落中密集房屋的三维模型效果普遍较差,采集的DLG 成果精度较低,在实际作业中要多注意细节。

6 结论

本文以倾斜摄影成果为原始数据,通过Smart3D 软件进行了空中三角测量,生成了真实三维模型,并基于模型,采用EPS软件生产了1:500 地形图。并利用检测点对生产的地形图成果精度进行检测,结果表明：本文的方案生产的大比例尺地形图,精度可以满足GB 50026-2007 相关规定要求。通过测试,本文的方法可以减少外业工作强度,为大比例尺地形图测绘提供了新的作业方法,希望可以为同行带来参考。