倾斜三维模型大比例尺城市地形图测绘的应用

摘  要：目前倾斜摄影测量技术成为摄影测量行业的研究热点，并在自然灾害应急、国土资源支路、数字城市建设等诸多领域得到较多的应用。同时随着无人机技术的迅速发展，倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘的应用也日益普及。该文基于倾斜三维模型进行1：500地形图测绘的应用研究，并结合实例进行相关的精度分析，验证其可行性，为大比例尺地形图提供新的生产模式。

关键词：倾斜三维模型;1：500地形图;测绘技术

中图分类号：P231;P217     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0114-03

Abstract：At present，tilt photogrammetry technology has become a research hotspot in photogrammetry industry，and has been widely used in natural disaster emergency，land and resources branch，digital city construction and many other fields. At the same time，with the rapid development of UAV technology，the application of tilt photogrammetry technology in large-scale topographic mapping is also increasingly popular. In this paper，the application of 1：500 topographic map surveying and mapping is studied based on the inclined 3D model，and the related accuracy analysis is carried out with an example to verify its feasibility，which provides a new production mode for large-scale topographic map.

Keywords：tilted 3D model;1：500 topographic map;surveying and mapping technology

0  引  言

隨着国家城市化的快速发展，对大比例尺城市地形图数据更新周期提出新的要求。大比例尺城市地形图测绘目前采用方法主要有全野外数字测图方法、传统航测的方法。其中，全野外数字测图人力成本高，效率低导致更新周期长。而传统航空摄影测量设备高且技术路线复杂，对作业人员要求高。因此，探索更新周期短且能够保证精度的基础地理信息数据采集的方法迫在眉睫。

倾斜摄影测量技术是通过垂直和倾斜的视角同步采集影像，获取顶面与侧视纹理信息，自动生成倾斜三维模型的方法[1-3]。倾斜三维模型能够真实、准确地还原地物信息，并使地物可以量测，可以为传统二维地形图测量提供新的解决方案[4]。在高精度的倾斜三维模型上采集地物特征数据，避免了传统航空摄影测量技术中需要大量外业调绘以及丰富的数据采集经验等不足，能够大幅度提高作业效率。本文基于无人机应用技术专业的专业课“无人机测绘技术”课程的实训环节，对应用倾斜三维模型进行大比例尺地形图测绘的过程进行研究梳理，为能够将倾斜三维技术具体实施于地形图测绘应用进行积极的探索。

1  倾斜三维模型生产的关键技术

倾斜三维模型的构建主要包括多视角影像采集、空中三角测量、密集点云匹配、纹理模型映射等过程[3]，建立反映真实地物情况的倾斜三维模型。

1.1  数据预处理

为了满足生产要求，需要进行匀光匀色等相关影像预处理，保证测区范围内的影像数据色调的一致。其次，利用非量测型数码相机进行影像采集，其镜头畸变较大，为了提高图像量测和三维构建的精度，必须对相机的畸变误差进行校正。

1.2  空中三角测量

通过自动配准算法解算后会产生大量大重叠度以及少量粗差连接点，通过倾斜影像匹配点粗差检测及自由网构建，以少量地面控制点为平差条件，快速求解影像的定向及地面点加密，即多视角空中三角测量[5]。

1.3  密集点云匹配

密集匹配是在影像定向的基础上求解密集同名像点的过程，也是摄影测量的基本问题之一。通过对相邻影像进行密集匹配可以获得视差图，利用视差图可以计算像点的深度，进而获得地物的三维点云，相比于传统摄影测量影像匹配，多视影像能够获得更大的覆盖率，最终能得到更为精准的数字地表模型。

1.4  纹理模型映射

纹理映射是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中像素的过程，其实质是建立从屏幕空间到纹理空间及纹理空间到景物空间的两个映射关系[5]。倾斜摄影技术中的纹理模型映射采用同一空间位置其他倾斜影像与正视影像数据进行纹理信息配准，实现倾斜摄影三维纹理的映射。

2  基于倾斜三维模型的大比例尺城市地形图测绘技术路线

基于倾斜三维模型的大比例尺地形图测绘的流程主要包括：航摄准备与计划、多视角影像采集、像控点布设与量测、倾斜三维模型生产，DLG数据采集、外业补测等，技术路线图如图1所示。

3  基于倾斜三维模型的大比例尺城市地形图测绘试验

3.1  测区概况及航线设计

以温州市龙湾区蒲州街道即将拆迁的工业厂房为试验对象，测区面积约0.21 km2，地势平坦，包含厂房、住宅小区及服务设施用地多类型城市建筑。

设计相对行高100 m，航向重叠度为80%以上，旁向重叠度为70%以上，地面分辨率优于8 cm。飞行采集影像数据曝光、色彩与饱和度保持一致性，确保数据质量良好。

3.2  像控点布设及测量

以谷歌影像为基础背景，预选像控点选取范围以及大致布点情况，采用区域网布点的方法，布设像控点均需以平高点为主且分布均匀，主要遵循准则如下：

像控点应选取平坦且有明显标志、易于判读的特征点;

在测点困难区航摄工作环节前采用喷漆方式进行像控点标识;

测区四个角点以及中心位置均需布设像控点;

测区范围内间距150～200 m布设一个像控点;

密集建筑物区增加像控点点位布设密度，保证平面精度。

本测区主要布设了25个外业像控点，选取5个作为模型精度检核点。采用RTK直接测量，控制点平面坐标系统为温州2000坐标系，高程基准为1985国家高程基准。

3.3  倾斜三维模型生产

本次试验采用ContextCapture软件进行倾斜三维模型生成，主要生产步骤包括多视影像联合平差、密集匹配、三维TIN构建、白模生成以及纹理映射。

本次生产平差计算共选取25个平高点，其中检查点有5个，平差结果显示检查点平面中误差为3.57 cm，高程中误差为9.12 cm，空三精度达到《GB/T 23236—2009  数字航空摄影测量 空中三角测量规范》要求。检查影像模型以及测区范围无误后，生成OSGB格式模型用于地物数据采集，测区倾斜三维模型如图2所示。

3.4  三维城市地形图数据采集

使用清华山维EPS软件中的三维测图模块，加载OSGB格式的三维模型数据以及DOM数据，在裸眼三维环境下，直接目视配合鼠标進行各类地物的特征点与特征线的采集，完成测图地物以及特征数据的采集与绘制。同时因倾斜三维模型具有准确的高程信息，在模型上可进行高程点以及等高线数据采集。三维裸眼方式相比于传统像对测量方式能够直接地反映地物真实三维形态，易于采集房屋主体结构并识别房屋层数进行标注，对无大量植被遮挡的地表可进行精确采集，对各类地貌可以直接分辨确定，对作业员要求较低。

3.5  外业补测与调绘

由于植被等高层建筑物遮挡会造成对模型中的部分要素无法进行采集，因此需要在内业三维采集完成后，进行外业调绘与补测，主要针对内业因植被遮挡而无法判读及量测的地物进行实地确认。主要包括以下几个方面：

（1）对有植被或异形建筑物遮挡的地区进行补测;

（2）对内业标注无法准确判读的地形图要素进行实地核查;

（3）对还需要的地物属性信息比如道路单位名称等相关信息进行调绘。相比于传统航测，基于倾斜三维模型的成图调绘工作量极大减少。

4  精度分析

为检验研究方法的可行性，需通过精度检验确保误差满足相关规范标准，本次试验通过三维坐标、平面坐标两方面进行精度对比分析：

（1）三维点位精度，如道路斑马线角点、花坛角点等;

（2）平面位置明显变化的点位精度，如房角点、台阶等。

4.1  试验区内三维点位精度分析

在测区范围内均匀分布的选取25个点作为精度检核点。通过全野外数字测图量测检核点的坐标，其中平面精度为±0.01 m，高程精度为±0.02 m，测量结果符合检核点测量规范要求，其中包含12个道路地面指示标志角点、7个花坛角点、6个规则地物角点，精度对比如表1所示。

统计计算结果表示平面点位中误差mxy=0.073 m，其中最大为0.126 m;高程点位中误差mz=0.052 m，最大为0.135 m。《GB/T 14912—2017  1：500 1：1 000 1：2 000外业数字测图规程》中规定，在城镇、工业建筑区、平地、丘陵地区的1：500比例尺下，地物点平面位置经度点位中误差为±0.300 m，高程中误差为1/3倍等高距，对应1：500测图所要求的高程中误差为0.167 m，可以验证倾斜三维模型大比例尺地形图测绘精度符合规范要求。

4.2  特征地物平面点精度分析

本试验选取183个围墙角点、房角点以及10处特征地物边长，进行精度分析，与外业实测结果进行比对。由于特征点与密集点云匹配过程中，诸如房角点等特征地物的精度往往比平坦区域的特征点要低。统计计算各个点残差并计算平面中误差，如图3所示。

其中平面中误差mxy=0.133 m，最大点位残差0.288 m，边长残差均值aveh=0.121 m，平面中误差优于《GB/T 14912—2017  1：500 1：1 000 1：2 000外业数字测图规程》所要求的1：500比例尺的中误差。

5  结  论

本文基于倾斜三维模型，进行大比例尺地形图城市测绘应用研究，利用搭载五镜头倾斜相机多旋翼无人机获取顶视地面分辨率由于0.030 m的多视影像数据并生成倾斜三维模型，进行裸眼三维地形图数据采集的试验。精度验证结果表现，基于倾斜三维模型的大比例城市地形图测绘平面和高程精度均能满足规范要求。

相比与传统航测，该方法表现出极大优势：

（1）内业数据直观易判读，降低对地物采集人员的技术水平要求;

（2）大量减少外业调绘与补测工作，提高了地形图生产效率;

（3）作业成本降低且作业机动灵活。但由于植被遮挡、部分复杂房屋区提取困难等问题，部分区域还需要利用传统测量方法进行修补测，同时也不能避免人工判断识别的误判和漏判。

随着多视影像数据采集硬件的革新、多视影像数据处理技术的进步，倾斜三维模型能够在大比例尺城市地形图测绘中发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 杨昆仑.无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘方面的应用 [J].测绘技术装备，2019，21（1）：84-88.

[2] 潘成军.基于倾斜摄影模型的1：500地形图要素提取及精度分析 [J].测绘通报，2017（S2）：62-66.

[3] 杨彦梅，施磊，张守敏，等.基于倾斜摄影测量的三维数字测图实验研究 [J].地矿测绘，2017，33（1）：25-27.

[4] 杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望 [J].测绘与空间地理信息，2016，39（1）：13-15+18.

[5] 孙亮，夏永华.基于无人机倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的可行性研究 [J].价值工程，2017，36（8）：209-212.

作者简介：沈茗戈（1990—），女，汉族，浙江温州人，工程师，硕士研究生，研究方向：无人机应用。