基于倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的研究

张毕祥，冯亚飞



基于倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的研究

张毕祥1，冯亚飞2

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.昆明市信息中心，云南 昆明 650500）

倾斜摄影测量技术作为国际测绘领域最近几年来新兴的一种测绘新技术，目前在三维建模和工程测量中得到了很好的应用。传统的摄影测量技术主要对象为地形、地物顶部；地面起伏、地物侧面纹理和三维结构等属性获取有限；此外目前大比例尺地形图测绘方法在成图效率与成本之间有一定的矛盾。文章阐述了基于无人机倾斜摄影测量在大比例尺地形图测绘中的绘图流程、线划图数据采集，利用无人机倾斜摄影测量技术的优点简化后续绘图工作。根据恭城县得到的大比例尺地形图成果，平面精度达到：0.209 m，高程精度达到：0.197 m，符合大比例尺地形图精度要求，精度完全可以达到同等比例尺外业数字测量的精度要求。

倾斜摄影测量技术；大比例尺地形图；影像处理；三维建模；精度评定

0 引言

通常称比例尺在1 : 500—1 : 10万的地形图为大比例尺地形图。大比例尺地形图（large scale topographical map）由于其位置精度高、地形表示详尽，是规划、管理、设计和建设过程中的基础资料。随着各大中城市大比例尺地形图数据库建设的完成，大比例尺地形图数据的现势性问题成为人们关注的热点问题。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[1]。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[2]；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[3-5]；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[6]。该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型[7-8]。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]。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[12-13]。

文章针对传统测图方法测绘大比例尺地形图效率低而且工作量大的缺点，提出基于无人机倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图方法，具体阐述了该方法具体的生产流程及线划图数据采集[14-16]方法，并对地形、地物要素进行了外业精度检测。

1 倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图流程

倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图流程和传统测图方法类似，然而流程更加简化，主要有以下及部分：

（1） 准备工作

相关资料准备：控制点成果、坐标系统、高程基准参数、已有的地形图成果，无人机航飞技术方案，明确无人机搭载的传感器、影像重叠度、飞行航高航带架次数、影像拍摄间隔，地面分辨率、焦距、及比例尺的选择等。

相关仪器设备准备：无人机、数码相机检校，三维模型数据处理软件

（2） 数据采集

航空摄影：应选择天气晴朗，能见度较高，风速3级以内的时间段进行。

像控点布设：遵循一系列的布设原则。

空中三角测量：按照相关的测量规范对项目区域进行空中三角加密测量。

（3） 三维模型构建及数字线划

采用已有的倾斜摄影建模软件，通过对获得的多视角影像进行区域网平差、多视影像密集匹配技术、三角网构建来得到密集的高精度点云数据，进行可视化处理，最终得到三维倾斜模型，帮助绘图人员提高绘图速率。

（4） 外业调绘、补测及成图

尽管实景三维模型可清晰辨别地物位置和类别信息，然而倾斜摄影获取的影像存在一部分拍摄盲区，如立交桥的下面、建筑物的遮挡、植被茂密的遮挡等，内业处理应进行标记，外业进行实地调绘与补测。

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 倾斜摄影测量技术实例与结果分析

2.1 研究区概况

测区地理位置位于广西恭城县东南莲花镇，介于东经110°51¢28²到110°56¢03²，和北纬24°39¢05²至24°44¢32²之间，测区总面积为17.4平方公里。莲花镇位于恭城瑶族自治县南部，东毗钟山县，南邻平乐县同安镇，西接平乐县二塘镇，北接本县平安乡，距县城14公里。通过航空摄影获取莲花镇红岩村周围17.4 KM2的影像数据（其中1.4 KM2倾斜影像用于1 : 500成图，16KM2的正摄影像用于1 : 2000成图），通过后续像控测量，空三加密，立体采集，外业调绘，编辑整理等工序形成测区1 : 500数字线划图和正射影像成果为打造红岩生态农业文化公园AAAA级景区，为设计院提供莲花镇红岩村地形图，为规划设计做基础。本文选取1.4 KM的倾斜影像数据做研究，测区如图2所示的多边形区域。

2.2 倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形图技术流程

2.2.1 无人机地形数据采集

本次无人机航线方向为南北向，航高350 m，航向重叠率70%，旁向重叠率65%，地面分辨率为0.0414 m，区域航线数为384条航片。准备工作：航空区域的空域批文，分析摄区情况，规划航摄区，选择起降场地，分辨率、航高计算等。无人机航空摄影作业流程如图3所示，航摄的实施和航线示意图如图4所示。

图2 1 : 500地形图试验测区位置

图3 无人机航空摄影作业流程

航拍实施包括地面基站架设，飞行平台各系统调试，风力风向测试，信号频率和强度测试等。

2.2.2 三维模型构建

Smart 3DCapture数据处理基于图形运算单元（Graphic Processing Unit GPU）的快速三维场景运算，可以依赖昂贵且低效率的激光点云扫描系统或定位定向系统（Position and Orientation System POS），不需人工干预能够从简单连续影像中生成逼真的实景真三维场景模型，区别于传统技术仅仅依靠高程生成缺少侧面结构的2.5维模型。Smart 3Dcapture 可以运算生成基于真实影像的超高密度点云，并以此生成基于真实影像纹理的高分辨率实景三维模型。其工作流程，大致为：新建工程→数据导入→控制点影像数据关联→空三加密处理→平差优化→提交重建任务→提交成果产品等。Smart 3Dcapture倾斜影像三维模型构建流程如图4所示。

图4 倾斜影像三维模型构建流程

将检校解算后的倾斜像片导入Smart3D Capture软件中进行空三加密、自动三维建模，由真彩色航空像片生成高密度点云和OSG格式的实景三维模型。

2.2.3 要素矢量采集及数据编辑

这是此次研究的一个技术难点，将上面的Smart3D建好的实景三维模型和点云数据导入到矢量化采集软件中（其前提是支持模型和点云数据的软件）进行数据采集。个人推荐北京吉威时代软件技术有限公司开发的一组专业而全面的空间数据处理软件Geoway。在采集的过程中必须遵循GB/T20257.1-2007《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》（以下简称《图式》），GB/T 7930-2008《1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形图航空摄影测量内业规范》（以下简称《内业规范》）；GB/T 15967-2008《1 : 500 1 : 1000 1 : 2000地形图航空摄影测量数字化测图规范》；CH/T 9008.1-2010《基础地理信息数字成果1 : 500 1 : 1000 1 : 2000数字线划图》。

2.2.4 补绘及调绘

数据采集工作除内业采集人员根据模型和点云矢量化以外，汇集需补测的问题交给外业调绘补，也有利于上下工序的理解和衔接，保证成图的质量。数据采集按“模型定位、外业定性、看不清不绘、看不到不绘、疑问标注符号”的原则进行。整理完成的数字线划图，最后修改整饰地形图，完成测图工作。测区在丘陵地区，地物类主要是房屋、道路和植被，地形复杂。得到10.6 MB的DWG文件。平面坐标系统采用2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000）、高斯-克吕格投影，3°分带中央子午线为110°50¢00²、采用2000椭球大地高，成果如图5所示。

3 大比例尺地形图精度评定

地形图测绘完成以后需要评估数学精度，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如表1所示。

在1 : 500的地图中抽取均匀分布的40个点对平面位置精度和高程精度进行了实地检测基本等高为1 m。平面主要对房屋、道路进行精度检测，精度检测中误差为±0.209 m；高程精度检测中误差为±0.197 m。平面和高程误差统计见表2，误差统计图如图7所示。

平面点和高程点的点位中误差计算结果：

平面中

高程中

平面中误差在图上距离为0.418 mm，小于图上0.6 mm，（丘陵地区）；高程中误差为0.197 m，小于 0.5 m（1/2基本等高距）。根据图6可得出，高程中误差相比平面中误差波动大，使用此方法得出的高程精度比平面精度低，然而高程中误差0.197 m能够满足规范要求，实验数据证明了该方法具有可行性。

图5 软件矢量化采集成果——数字线划图（DLG）

表1 工程摄影测量规范地形摄影测量的基本精度

Tab.1 Basic accuracy of terrain photogrammetry for engineering photogrammetry

4 结语

本文基于无人机倾斜摄影系统获得影像数据和POS数据，通过Smart3D软件生成了真实三维模型，并制作了大比例尺地形图。将实地量测检查点坐标和三维模型中生成的地形图检查点的平面坐标和高程坐标进行对比，证明该方法生成的地形图在平面上可以满足1 : 500地形图的要求。无人机飞行作业受天气影响较大、无人机飞行姿态不稳定，矢量化采集过程非自动化等一系列问题，将来相关硬件、软件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更加有利的条件。

表2 检测点坐标及高程较差统计表（单位：m）

Tab.2 Checkpoint coordinates and elevation difference statistics table (unit: m)

（备注：其中△H2的值并不是所给坐标点位的高程差值，只是共用序号）

图7 误差统计图

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Research on Surveying and Mapping of Large-scale Topographic Maps Based on Inclined Photogrammetry

ZHANG Bi-xiang1，FENG Ya-fei2

(1.Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan Province 650093；2.Kunming Information Center, Kunming, Yunnan Province 650500)

Tilting photogrammetry technology is a new mapping technology emerging in the field of international surveying and mapping in recent years, and it has been well applied in three-dimensional modeling and engineering measurement. The main objects of traditional photogrammetry technology are the topography of terrain and the top of the ground; the properties of ground relief, side textures, and three-dimensional structures are limited; in addition, mapping methods for large-scale topographic maps have certain contradictions between mapping efficiency and cost. This paper expounds the drawing flow and line chart data acquisition based on the UAV tilted photogrammetry in large-scale topographic map mapping, and uses the advantage of UAV tilted photogrammetry to simplify the subsequent drawing work. According to the large-scale topographic map obtained by Gongcheng County, the plane accuracy is 0.209 m and the elevation accuracy is: 0.197 m. It meets the accuracy requirements of large-scale topographic maps, and the accuracy can exactly meet the accuracy requirement of digital measurement in the same scale.

Oblique photogrammetric technique; Large-scale topographic map; Image processing; 3D modeling; Accuracy assessment

P231

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.031

张毕祥(1991-)，男，研究生，主要研究方向：3S集成与应用。

冯亚飞(1981-)，女，工程师，主要研究方向：从事智慧城市、大数据、3S、城市规划信息。

本文著录格式：张毕祥. 基于倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的研究[J]. 软件，2018，39（7）：146-151