倾斜摄影测量实景三维模型在困难地区地形图质量检验中的应用

黄 威

（广东省国土资源测绘院，广东广州 510500）

0 引言

当今测绘地理信息技术与物联网、大数据等信息技术深度融合，测绘地理信息产业进入了蓬勃发展阶段［1］。在传统的地形图质量检验过程中，存在资源消耗过多以及低效率等问题。尤其针对测绘困难地区的大比例尺数字地形图检验，传统以外业为主、内业为辅的质检方式具有极大的局限性［2］。众多学者对困难地区的测绘与地形图质检优化进行了深入探讨。满亚洲等使用低空无人机倾斜摄影技术获取高寒山地区的影像数据［3］，并构建实景三维模型，试验验证了该方法的有效性。李国锋使用拓普康天狼星无人机规划航线［4］，通过一系列技术获取高质量的地形图数据，并结合实际案例分析无人机地形图测绘数据质量的关键影响因素。

综上所述，将无人机应用于测绘的研究取得较好成果，但针对地形复杂地区的测量技术较少。因此，研究针对复杂地区引入无人机倾斜摄影测量方法优化原倾斜摄影测量（Oblique Photogrammetry，OP）方案，构建研究区域的实景三维模型，并且为大比例尺数字地形图检验工作创建一种新型质检方式。研究以期提升质检工作的效率与质量，为地形复杂地区的质检模式提供切实有效的新方法，为测绘地理信息行业的新型质检体系建设与服务保障能力建设奠定坚实的基础。

1 OP实景三维模型构建

1.1 OP模型与方案的设计

OP 是一个在飞行平台上搭载多台传感器，并从垂直和倾斜等多角度采集地面影像数据，经过一系列处理后获取地物准确、完整的位置信息与纹理数据。前期准备工作是进行倾斜摄影测量的基础，主要内容包括对测量地区进行实地勘探，确定测量区域的地物地貌情况，以及结合实地情况和测量区域存在的基础像控点设计倾斜测量方案。其中，像控点位置的选取与布设需要满足以下要求：首先，需要保证其在影像中清晰且有区分性，便于后续空三加密过程像片刺点；其次，尽可能布设在旁向中心线附近，尽量避开树木与密集建筑物等不易于测量的位置；最后，需要满足地面影像分辨率、摄影区域地形地貌特点与成图要求分辨率等因素，区域网布设区域的最佳形状为矩形，可根据测量区域的实际情况增加像控点数量。目前像片控制点常用的布设方法有单航线布点法与区域网布点法，倾斜摄影测量获取的影像后续需使用空三加密平差方法，故选用区域网布点法。区域网像控点布设方案如图1 所示。

图1 区域网像控点布设方案

图1（a）为常规区域网的布设方案，满足保证外围点的控制范围的基本需求；图1（b）是航片旁向重叠度（Lateral Overlap，LO）较低时区域网的布设方案，通过在航线旁向加高程点来保证不规则测量区域的精度；图1（c）是光束法区域网联合平差（Regional Combined Adjustment by Beam Method，RCABM）的基础区域布设策略，在矩形顶点处进行双平高点布设，同时整体使用平高点与高程点间隔的布设方案。在航摄时，无人机倾斜摄影测量需设置航高、像片重叠度与航线参数，航高的设置需按照规范要求与实际情况进行设置。航高h的计算如式（1）所示：

式中：F为物镜的镜头焦距；RP为航摄像片要求的分辨率；S为像元尺寸；g为重力加速度。

根据无人机倾斜摄影测量相应规范的要求，航向重叠度一般在60%~80%，旁向重叠度设为15%~60% ，且重叠度的判定以区域内高程最大处为准。针对困难地区的无人机航摄优化设计如下：高原测绘困难地区，选择气候温和且干燥的时间进行工作，且机体应更换为高原适用型机翼，与平原作业相比，高原作业还需缩短单架次时间。研究区域内像控点使用超额布设，且航飞面积为1.1×104m²，像控点布设数量为123 个，在高差较大或坡度较缓的区域在坡顶与坡底等地形复杂区增加像控点的布设。此外，根据研究区域地形复杂、怪石分布现状，航高设为80～120 m，航向重叠度与旁向重叠度分别为80% 和75% ，航线弯曲度低于5% 。针对贴近山区与高度差较大的区域，研究采用分区块多架次航飞，航高根据区域情况进行设定，若出现航片分辨率不足、影像缺失等情况，需在原航线进行补拍。航摄影像作业完成后，需要进行影像特征提取与匹配。目前特征提取方法适用最广泛的是尺度不变特征变换（Scale Invariant Feature Transformation，SIFT）算法，其能对不同视角下的物体或场景实现可靠匹配，且提取的特征对图像的尺度和旋转具有不变性及较高的鲁棒性，此外，还具有较快的计算速度和可扩展性等优点。SIFT 特征提取算法与影像匹配流程如图2 所示。

图2 SIFT 特征提取算法与影像匹配流程

空中三角测量是用摄影测量解析法确定区域内所有影像的外方位元素，通过1 张像片组成的一束光线作为平差的基本单元，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程，通过各光线束在空间的旋转与平移，使模型间的公共点的光线实现最佳交会。同时使整个区域最佳地纳入已知的控制点坐标系统中，以相邻像片公共交会点坐标相等、控制点的内业坐标与已知的外业坐标相等为条件，列出控制点与加密点的误差方程式，进行全区域的统一平差计算，最终求解出每张像片的相关地面坐标。OP 数据处理较为主流的方法为RCABM，具体操作如下：将航摄相机的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、惯性传感器（Inertial Measurement Unit，IMU）作为外方位元素的初始值，然后与地面像控点坐标进行联合平差。但倾斜摄影影像点云数据量过大，因此，研究使用密集匹配的方法减少影像空中三角测量加密后点云数据的冗余。如今性能最为优秀的密集匹配算法是基于贴片模型的半全局匹配（PMVS）算法。在数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）构建完成后，使用纹理映射将真实的地物纹理与色彩赋予DSM，最终完成实景可视立体三维模型的构建。

1.2 基于实景三维模型对数字地形图的质检

由于现今大比例尺数字地形图的质检工作不能满足测绘地理信息行业需求，因此，研究针对测绘行业新需求，设计新型大比例尺数字地形图的质检模式。根据国家标准要求，大比例尺数字地形图的质检内容分为详查与概查，详查内容包括样本单位成果的数学精度（Mathematical Precision，MP）、数据及结构的正确性（Correctness Of Data and Structure，CODS）、地理精度（Geographic Accuracy，GA）、整饰质量（Finishing Quality，FQ）与附件质量（Accessory Quality，AQ）；概查内容包括成图范围、区域的符合性、图幅分幅与编号、测图控制覆盖面、密度的符合性和详查以外图幅的重要或特别关注的质量要求或指标。大比例尺数字地形图具体的检查项及其质量子元素（Mass Sub Element，MSE）权重如表1 所示。

表1 大比例尺数字地形图检查项及其质量子元素权重

成果质量错漏类型有A、B、C 与D 四类，对应扣分值为42、12、4 与1 分。MP 检验的相关计算，如式（2）所示：式中：T1为相应质量子元素分值；T2为各质量子元素评分分值；b、c与d分别为质量子元素中相应的B、C 与D 类错漏个数；t为调整系数；Δe为MSE 的中误差限差（Error Tolerance，ET）与检测中误差的差值；ζe为MSE 的ET。

地理精度检验首先根据数字线划图进行内业逻辑性判别，然后按照国家规范中检查项内容和错漏分类，逐地物和实景三维模型进行对照判别。数据与结构的正确性检验包括：首先按照生产方提供经过审批的项目设计书的要求，检查文件命名与大比例尺数字地形图文件格式是否合理。然后数据产品分层与层名代码执行CASS 默认的分层方法与层名代码。最后检查地物属性代码与标识以及图幅边界分割地物属性接边。FQ 内容包括图名图号、图廓外整饰质量等内容；AQ 包括被检成果作业单位提交的成果附件和相关材料。

2 倾斜摄影测量实景三维模型在困难地区地形图质量检验中的应用分析

为验证OP 实景三维模型在地势与地貌的复杂地区进行地形图质检中的应用，研究选择广东省罗定市船步镇所在的八排山区域作为研究区域。八排山属于高原地区，海拔1081 m，季节性气候特征显著，地类为高山地，地形图成果等高距3 m。研究区域内奇石满布，怪树丛生，云遮雾绕，测绘十分困难。

研究使用软件ThingPano 生成测量区域的实景三维模型，结果如图3 所示。此外研究选用大疆无人机进行航拍作业，其能极大减少相机拍摄与手工选择连接点的流程。图3（a）与图3（b）分别为数字正射影像图与实景三维模型的局部图。

图3 实景三维模型成果

为了检验数字地形图质量中的MP，研究按照1∶500 比例尺地形图精度生成实景三维模型，待检成果为八排山1∶1000 大比例尺数字地形图，其中，实景三维模型的制作范围要大于八排山的待检成果。针对研究区数字正射影像成果，倾斜摄影测量三维模型随机采集20 个平面检测点，传统质检方式采用航测外业调绘方法采集数据，共取同名的20个验证点。新型质检方式与传统质检方式的平面点误差分布如图4 所示，在点位较差为（0，0.1］，（0.1，0.2］、（0.2，0.3］、（0.3，0.4］与大于0.4 的5 种范围中，新型质检方式的检测点数量分别为3、9、6、0、2；传统质检方式的检测点数量分别为3、14、2、1、0。传统质检方式平面检查点的误差为0.35 m，人工调绘平面点误差为0.27 m，中误差限差为0.67 m。与传统质检方式平面检查点相比，新型质检方式平面检查点的误差较其低0.13 m，人工调绘平面点误差较其低0.09 m，中误差限差较其低0.09 m。研究结果表明：新型质检方式拥有更高的MP，能充分满足相关规范。

图4 新型质检方式与传统质检方式平面点误差分布

高程精度检测中新型质检方式与传统质检方式各选取30 个高程检测点，其中，传统质检方式仍采取航测外业调绘方法采集检测点数据，可得不同质检方式高程检测点高差分布结果，如图5 所示。可见，新型质检方式检测点高程中误差在0.14 m，中误差限差为0.17 m。传统质检方式检测点高程中误差为0.39 m，中误差限差为0.73 m。对于地理精度的检查，在传统方法的外业实地核查过程中，无法从地形图中对地势险要区域进行踏勘，作业员4人分2 组，共耗时4 d。而新型质检方式仅需1 个作业员，总耗时1 d。传统质检方式的结果与新型质检方式相比，C 类问题少发现1 个，D 类问题少发现若干。

传统质检方式与新型质检方式的质量评定结果如表2 所示，新型质检方式的数学精度与数据及结构的正确性质量评分大于传统质检方式，二者质量等级均为优。

表2 传统质检方式与新型质检方式质量评定结果单位：分

3 结语

在困难地区的大比例尺数字地形图的质量精度检验中，传统方法存在成本消耗过大、效率低、检测范围不全等问题。为解决上述问题，研究提出无人机OP 方法，并进一步改进常规OP 方案，使其更加符合地形困难地区的需求，最终建立八排山地区的实景三维模型，为大比例尺数字地形图的质检工作提供新方式。试验结果显示：在平面检测与高程检测中，新型质检方式在绝大部分指标结果中的效果优于传统质检方式的效果。在质量评分中，新型质检方式的评分为89.8 分，较传统的质检方式高1.5 分。综上所述，研究提出基于倾斜摄影测量的实景三维模型与新型质检方案具有更高的精度与适用性。但研究仍存在不足，该方法仅为静态地获取区域地理状况，但地理空间信息是随时间动态变化的，故需在未来研究中寻找动态化使用层面的质检方法。