基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)提取1 ∶ 500地形圖要素的研究

1 引言

隨著科技不斷發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)不斷更新，地形圖測(cè)量方法由傳統(tǒng)平板白紙測(cè)圖、經(jīng)緯儀測(cè)圖發(fā)展到現(xiàn)在的全站儀、GNSS、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等技術(shù)方法進(jìn)行數(shù)字化成圖，在精度和效率上都有很大提高。近年來，天、空、地一體化測(cè)繪技術(shù)飛速發(fā)展，傾斜攝影就是其中的一種，它推動(dòng)了地形測(cè)量向高科技、立體圖形、內(nèi)業(yè)測(cè)繪方向革命性的變化。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有多種特點(diǎn)：①立體成果真實(shí)，對(duì)于地面周圍的反映符合人類感知;②為建模提供真實(shí)、豐富的紋理信息;③可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。同時(shí)，無人機(jī)作為一種新型的低空遙感對(duì)地觀測(cè)手段，具有易于操控、獲取影像周期短、作業(yè)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特性?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取實(shí)景三維模型，用矢量繪圖平臺(tái)基于模型提取1 ∶ 500地形圖要素，有效避免傳統(tǒng)作業(yè)方式強(qiáng)度大、效率低、周期長(zhǎng)和重復(fù)測(cè)量等弊端，極大提升了生產(chǎn)效率，應(yīng)用前景廣泛。

2 設(shè)備選擇及技術(shù)路線

2. 1 設(shè)備及軟件

本文論述無人機(jī)傾斜影像獲取利用多旋翼無人機(jī)搭載五拼傾斜相機(jī)進(jìn)行航攝，五拼相機(jī)“睿眼”云臺(tái)系統(tǒng)由5 個(gè)SONY ILCE-QX1 相機(jī)組裝而成，每個(gè)相機(jī)的像幅大小為5456 3632 像素，配備旋翼地面站系統(tǒng)采用零度智控旗下的雙子星系統(tǒng)。實(shí)景模型制作采用Smart 3D 軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量及全自動(dòng)三維建模。地形圖采用EPS 2012 地理信息工作站進(jìn)行矢量地形要素提取及圖形編輯。

2. 2 技術(shù)路線

根據(jù)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)及相關(guān)要求制定作業(yè)流程，如圖1 所示，本文對(duì)航攝外業(yè)及三維建模不作詳細(xì)論述。

圖1 技術(shù)路線

3 工程應(yīng)用案例

3. 1 項(xiàng)目概況

應(yīng)用案例選取重慶陳家橋公租房、晉渝盛世、俊峰香格里拉等3 個(gè)竣工測(cè)繪項(xiàng)目作為傾斜攝影1 ∶ 500地形圖生產(chǎn)應(yīng)用研究對(duì)象，全要素采集房屋、道路、花圃、梯坎等地形圖基本要素和規(guī)劃竣工信息，其傾斜攝影實(shí)景模型如圖2～ 圖4 所示：

圖2 陳家橋公租房

圖3 晉渝盛世

圖4 俊峰香格里拉

上述傾斜攝影實(shí)景模型影像質(zhì)量良好、分辨率高、紋理清晰、無大面積噪聲、條紋，依據(jù)模型可多角度、多尺度瀏覽和量測(cè)。

3. 2 技術(shù)步驟

以EPS 2012 地理信息工作站為矢量繪圖平臺(tái)，通過底層開發(fā)在繪圖平臺(tái)中內(nèi)置測(cè)圖模塊，利用傾斜攝影模型進(jìn)行高精度大比例尺地形數(shù)據(jù)的矢量采集工作，無須佩戴立體眼鏡，根據(jù)影像及自動(dòng)空三生成的三維模型直接定位地物要素的三維信息。軟件內(nèi)置地類地物屬性模塊實(shí)現(xiàn)要素編碼分類，經(jīng)整理形成1 ∶ 500數(shù)字線化地形圖，如圖5 所示。

圖5 定制傾斜攝影程序模塊

（1）模型一鍵承載

基于矢量繪圖平臺(tái)底層結(jié)構(gòu)優(yōu)化和算法研究，采用“金字塔模型”自主實(shí)現(xiàn)模型一鍵承載、快速瀏覽，解決海量?jī)A斜數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高的瓶頸問題，為后續(xù)模型快速瀏覽、數(shù)據(jù)制作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

金字塔層次模型表示多分辨率級(jí)別的分層模型，采用縱向分層，橫向分塊的策略來構(gòu)建。金字塔每一層代表一個(gè)分辨率級(jí)別，從上往下分辨率越來越高（數(shù)值越來越小），但每一層表示的范圍都是整個(gè)原始地形的范圍。金字塔各層的分辨率之間存在一個(gè)倍率關(guān)系，通常取倍率取為2（ 便于采用四叉樹結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）。各級(jí)層次模型的分辨率計(jì)算可用公式來表示。

設(shè)原始地形的分辨率為r，原始地形高程文件大小為n·n，塊邊長(zhǎng)為m，則第0 層的分辨率r0 為：

（2）模型切割顯示由于飛行因素影響、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)條件限制、建模機(jī)制選擇等原因，無人機(jī)傾斜攝影模型數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)空洞、懸掛、遮擋、扭曲等，因此需要對(duì)模型進(jìn)行切割顯示處理，避免對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)提取存在影響，如圖6、圖7 所示。

圖6 模型處理前

圖7 模型水平切割處理后效果

（3）建筑輪廓特征提取

建筑輪廓特征提取時(shí)，充分利用傾斜模型中建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)量大、精度高的特點(diǎn)，通過給定建筑物側(cè)面基點(diǎn)自動(dòng)生成輪廓點(diǎn)功能，解決建筑物外輪廓點(diǎn)部位分辨率不高、特征提取定位不準(zhǔn)、精度不足等問題。該功能不受同一高程平面限制，任意選取建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)精度最佳位置作為給定基點(diǎn)，使建筑輪廓特征提取精度得到顯著提高，如圖8、圖9 所示。

圖8 建筑輪廓水平面提取

圖9 建筑輪廓豎直面提取

（4）線型地物特征提取

通過矢量繪圖環(huán)境對(duì)傾斜模型三維瀏覽，結(jié)合模型豐富的紋理信息，能夠有效識(shí)別主要線性地物的類型及走向，實(shí)現(xiàn)快速提取道路、花圃、斜坡、陡坎等線性地物的平面位置、高程及屬性特征，如圖10 所示。

圖10 斜坡提取

（5）高程提取

實(shí)景模型以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的模型成果能直觀反映地物外觀、位置、高程等屬性信息，所以通過實(shí)景影像可以快速提取地面點(diǎn)高程，如圖11、12 所示。

圖11 地貌高程提取

圖12 屋脊線及房頂高提取

（6）數(shù)字線劃地形圖生成

基于傾斜攝影實(shí)景模型進(jìn)行1 ∶ 500 地形圖室內(nèi)生產(chǎn)，同樣遵循“先整體后局部”的作業(yè)原則，以測(cè)圖模塊自動(dòng)提取的建筑輪廓和地物邊界數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔助人工識(shí)別，對(duì)點(diǎn)地物遺漏、線地物缺失、面地物不全等進(jìn)行地毯式搜索、逐步清理完善，在模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)能實(shí)現(xiàn)二維矢量平面圖與三維模型場(chǎng)景分屏顯示，模型、矢量、影像同步聯(lián)動(dòng)，點(diǎn)、線、面隨心編輯，達(dá)到了二三維顯示一體化、符號(hào)一體化、編輯一體化，實(shí)現(xiàn)1 ∶ 500地形圖室內(nèi)交互式測(cè)繪，如圖13 所示。

圖13 基于傾斜模型二三維交互式測(cè)圖

4 精度評(píng)定

4. 1 測(cè)量精度要求

大比例尺地形圖質(zhì)量檢查主要包括數(shù)學(xué)精度、屬性精度、數(shù)據(jù)正確性及要素完備性、整飾質(zhì)量及附件質(zhì)量檢查，依據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ /T8-2011） 相關(guān)要求：平地、丘陵地帶地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過圖上0.5 mm（ 1 ∶ 500 地形圖則為0.25 m），城市建筑區(qū)基本等高距為0.5m的平坦地區(qū)，1 ∶ 500 地形圖高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于0.15 m。

4. 2 成果精度檢測(cè)

項(xiàng)目成果檢測(cè)采用全野外數(shù)字化實(shí)測(cè)成果與傾斜攝影內(nèi)業(yè)提取成圖成果比對(duì)的方法進(jìn)行精度評(píng)定，檢查要素包含房屋、圍墻、燈桿、道路、花圃、溝渠、陡坎和地形高程點(diǎn)等。成果精度檢查內(nèi)容包括平面精度、高程精度及邊長(zhǎng)精度。項(xiàng)目共設(shè)站檢查979 點(diǎn)，其中平面檢查點(diǎn)598 點(diǎn)，高程檢查381 點(diǎn)，邊長(zhǎng)檢查68 條邊。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與傾斜模型提取數(shù)據(jù)相比較，誤差分布及精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

通過誤差分布統(tǒng)計(jì)表得出：檢查點(diǎn)平面中誤差為0.13 m，高程點(diǎn)中誤差0.14 m，邊長(zhǎng)中誤差0.15 m，基于傾斜模型提取數(shù)據(jù)中誤差小于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)限差，由檢測(cè)結(jié)果表明，基于傾斜攝影模型進(jìn)行地形圖要素提取可應(yīng)用于1 ∶ 500大比例地形圖測(cè)繪。

4. 3 誤差分析

（1）原始像片分辨率不足的航攝誤差

由于無人機(jī)傾斜攝影受地理?xiàng)l件局限、安全飛行高度影響以及設(shè)備精度、航攝參數(shù)設(shè)置等綜合因素制約，可能造成原始像片分辨率不足，因此，根據(jù)方案設(shè)計(jì)對(duì)地形圖精度的要求，通過優(yōu)化航飛參數(shù)（ 降低航高、換長(zhǎng)焦鏡頭等）［4］，可以提高獲取影像的地面分辨率，從而進(jìn)一步提高相關(guān)數(shù)據(jù)成果精度。

（2）空三加密匹配引起的模型誤差

傾斜航空攝影后期數(shù)據(jù)影像匹配時(shí)，因傾斜影像的攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)中含有較多的粗差，嚴(yán)重影響后續(xù)影像空三精度［5］。然而，如何利用傾斜攝影測(cè)量中包含的大量冗余信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的高精度匹配是提高傾斜攝影技術(shù)實(shí)用性的關(guān)鍵，可通過人工干預(yù)方式將空三成果精度優(yōu)化到最佳。

（3）人工采集操作產(chǎn)生的成圖誤差

基于傾斜模型的地形要素人工采集產(chǎn)生的誤差是一個(gè)比較重要的成圖誤差來源，采集時(shí)影像圖上1 個(gè)像素的誤差，實(shí)地距離就是3 cm～ 5 cm，另一方面，當(dāng)某一地物不在同一高程面時(shí)，會(huì)因?yàn)橐暡钤斐墒噶坎杉粶?zhǔn)確，此時(shí)需要作業(yè)員根據(jù)不同角度的影像圖進(jìn)行局部調(diào)整。因此，提高作業(yè)員作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和操作熟練度，可提升矢量采集成果的精度。

5 結(jié)語及展望

生產(chǎn)應(yīng)用案例證明，基于無人機(jī)傾斜攝影模型提取地形圖要素可基本滿足《城市測(cè)量規(guī)范》1 ∶ 500數(shù)字線化圖測(cè)繪的精度要求，能有效提升測(cè)繪生產(chǎn)效率，測(cè)繪成果科技含量豐富。但仍有一定局限性亟待解決，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）基于荷載限制及飛行安全考慮，目前無人機(jī)電池的續(xù)航能力成為傾斜攝影技術(shù)推廣的限制條件，提高無人機(jī)單架次作業(yè)時(shí)間將大幅提高該方法的應(yīng)用效率。

（2） 由于傾斜攝影模型是對(duì)地物地貌表面的模擬，植被覆蓋、房屋遮擋等一些拍攝死角或關(guān)聯(lián)點(diǎn)不足的地方，全自動(dòng)建模時(shí)容易產(chǎn)生模型扭曲變形;匹配截面過小的地物，如路燈、電桿，容易產(chǎn)生模型缺失，需采用其他方式加以補(bǔ)充處理。

（3）地形要素的提取還不是全自動(dòng)，需要輔助人工識(shí)別，容易出現(xiàn)誤判和漏判，需進(jìn)一步研究對(duì)軟件二次開發(fā)，提升海量數(shù)據(jù)快速提取、自動(dòng)識(shí)別的能力。

本文通過實(shí)踐探索建立了基于傾斜攝影實(shí)景模型提取地形要素完成室內(nèi)1 ∶ 500地形圖測(cè)繪的關(guān)鍵技術(shù)路線，對(duì)成果數(shù)據(jù)精度指標(biāo)及誤差來源進(jìn)行了分析，該技術(shù)在植被覆蓋、遮擋嚴(yán)重、大型商業(yè)群等復(fù)雜區(qū)域推廣應(yīng)用還需做進(jìn)一步探索與研究。

責(zé)任編輯：gt