基于倾斜摄影测量技术的大比例尺地形图质量检验

曹理想

(蚌埠市勘测设计研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

随着我国城市化建设进程不断加快，大比例尺地形图作为城市基础地理信息数据资源的重要组成部分，其测制覆盖范围不断加大，更新频率也不断提高。大比例尺地形图成果数据生产快速增加，这给质量检验人员快速、高效、准确地开展质量检验工作提出了更高的要求。在大比例尺地形图的成果质量检验中，数学精度和地理精度仍分别采用外业数据检测和人工外业巡查[1]。该方法检验精度高，结果可靠，但外业检测点的采集效率低，地理精度外业巡查时间长，占用了大量的人力物力资源。

近年来倾斜摄影测量技术迅速发展[2]，通过获取多个角度、高重叠度的影像，采用多视影像匹配和联合平差算法，辅助一定数量的像控点，可生成具有较高位置精度和丰富地物纹理信息的实景三维模型，然后在三维模型上直接采集得到满足精度要求的地形图成果[3]，该技术已广泛应用于城市三维模型建设和大比例尺地形图测绘。本文提出基于倾斜摄影测量技术的大比例尺地形图质量检验的技术方法，进而改进地形图质量的检验流程，更好地提高质量检验工作效率。

2 倾斜摄影测量技术原理

无人机倾斜摄影测量技术是近年来遥感测绘领域发展较为迅速的新兴技术之一。通过在同一飞行平台上搭载一组五镜头倾斜相机，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，分为正摄、前视、后视、左视、右视，配合IMU/DGPS获取高精度的姿态和位置信息，通过特定的数据处理软件进行数据处理，将所有影像纳入统一的坐标系统中，获取地面物体更为完整准确的信息[4～7]。因此与传统测量技术相比，倾斜摄影技术具有高效率、高精度和高性价比，其应用也越来越广泛。

3 应用案例

3.1 项目概况

以某区东部建成区1∶1 000地形图为例，该测区面积6.7平方千米，地势平坦，具体范围大致呈梯形分布，包含物流园区、职教园区和居住小区，以2层～6层为主，少量居住小区建筑为18层～26层。

3.2 技术流程

目前，大比例尺地形图质量检验中平面、高程精度的检测点采集主要采用全野外采集的测量方式，工作效率偏低；地理精度评定工作需要的人工全面巡视，外业巡查工作量大。数学精度和地理精度的质量评定占据了整个质量检验工作中的大部分工作量。鉴于此，本文基于无人机倾斜摄影测量技术，依据项目技术设计及相关技术、检验规范编制了大比例尺地形图质量检验技术方案，具体流程如图1所示。以无人机倾斜摄影测量替代原有传统测量手段，提升数学精度检测效率，以实景三维影像辅助地理要素进行外业巡查，大大降低质检人员工作强度，整体提升大比例尺地形图测绘成果质量检验效率。

图1 质量检验流程图

3.3 抽取样本

依据《测绘成果质量检查与验收》GB/T 24356-2009规定，按检验批的批量确定抽取5幅样本图幅，研究基于倾斜摄影测量技术开展大比例尺地形图成果数学精度和地理精度评定的可行性和适用性。

3.4 数据采集

(1)像控点测量

在倾斜摄影前布设像控点，像控点的目标应清晰、易于判别和立体量测，且应设置在高程起伏较小、易于准确定位和量测的地方[8]。随着无人机倾斜摄影测量系统配备IMU/DGPS设备，大大降低了布设密度，像控点按区域网布设，由于倾斜摄影重叠度高、有多视角影像，计算机密集点云数据匹配功能强等，外业布设像控点位基线跨度可适当放宽，一般情况下均布设为平高点，像控点平面坐标和高程利用AHCORS采用RTK方式进行测量。测量像控点的同时应进行检查点采集，用于评定内业数据处理的精度。

(2)倾斜影像获取

倾斜影像获取时根据样本图幅分布区域确定飞行范围，合理规划飞行航线，因地势平坦，建筑物高度均在 80 m以下，考虑到倾斜摄影相机拍摄角度，为保证边缘物体立体成像，航线覆盖超出测区边界线至少3条航线。最终确定航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，飞行高度 150 m。飞行中采用GNSS系统导航，按照航线设计数据飞行，航空摄影时，飞行要尽可能平稳，航线弯曲度不应大于3%。飞行数据检查时应保证影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致，能够辨别与地面分辨率相适应的地物影像。

3.5 数据处理

将预处理后的倾斜影像、POS成果、像控成果等数据导入到DP-Smart软件新建工程中进行三维建模。采用多基线特征匹配技术，结合POS数据生成连接点，利用像控点进行区域网平差完成空中三角测量，解算出各影像外方位元素[9]。利用软件提供的并行算法获得高密度的点云数据，构建不规则三角网TIN数据，并生成白模的三维模型。对生成白模的三维模型赋予纹理，由于倾斜摄影能够获取详细准确的影像与地理信息，再加上先进的定位技术所获取的影像都具有精确的坐标信息，通过纹理映射，可自动迅速地将影像纹理贴在相对应的三维模型面上，生成基于影像纹理的高分辨率实景三维模型[10]，如图2所示。

图2 实景三维模型

3.6 精度评定

(1)数学精度

根据实地情况，每个样本图幅内分别利用全站仪、RTK等传统方式和基于南方CASS 3D成图软件的三维绘图模式下分别采集平面位置、高程检测点均不少于32个检测点与原图进行比较，实景三维模型采集平面检测点如图3所示，平面、高程实测精度对比分析表如表1、表2所示。

图3 实景三维模型采集平面检测点

实景三维模型和全站仪实测平面精度对比表 表1

实景三维模型和全站仪实测高程精度对比表 表2

从检测结果可以得出，采用实景三维模型检测平面、高程精度略低于采用全站仪等常规方式检测平面、高程精度，均满足地形图检测的精度要求。

(2)地理精度

地理精度检验主要质量元素有地理要素完整性与正确性、综合取舍合理性等[11]。传统检验手段均采用人工实地巡视的方式进行，为保证地理精度检验的全面性，要求检验人员必须对样本图幅内地理要素进行全面巡视，这种方式存在工作量大、效率低等缺点。利用实景三维影像对样本图幅内的地理要素进行全面检查，可以快速、直观地判别地理要素的完整性和正确性等，如图4所示，两处室外台阶的部分平台错绘制成台阶，且其中一处室外台阶大小错绘。通过全面比对实景三维影像检查后，少量重要地理要素辅以人工外业核实，将外业巡查的工作强度大大降低，这样不仅提高工作效率，同时改善了工作环境。

图4 实景三维模型辅助检查

4 结 论

通过对倾斜摄影测量与传统测量手段获得的成果数据分别与原图进行精度对比，结果表明，倾斜摄影测量手段开展大比例尺地形图的数学精度质量检验，能够减少传统检验方式中的平面、高程精度检测不均匀性，提高质检效率。实景三维影像辅助地理要素进行外业巡查，能大大降低质检人员外业巡视工作时间，提高外业地理精度检验效率，能够有效保证地理精度检验的全面性。倾斜摄影测量技术适用于大比例尺地形图成果的数学精度和地理精度检验。