倾斜摄影测量在大比例尺地形图测绘中的应用

谷龙闪，王立妮，王鹏泽

（河南省地质局矿产资源勘查中心，河南郑州 450012）

0 引言

绘制大比例尺地形图一直以来都是地理信息科学和工程测绘领域的一项重要任务。地形图为城市规划、工程建设、资源管理和环境保护等各种应用提供了必不可少的地理信息基础［1］。随着社会的发展和技术的进步，绘制大比例尺地形图面临着新的挑战和机遇。传统的测量和制图方法主要依赖于地面测量、航空摄影测量和手工绘图，需要大量的时间、人力和资金。传统方法在处理复杂地形、城市环境和大面积区域时往往效率低下，难以满足高精度的要求。倾斜摄影测量技术以其快速、高效的数据获取方式和丰富的信息内容，成为地形图制图的重要工具。余加勇等人针对传统人工边坡调查方法效率低、风险高、难度大的问题［2］，提出了基于无人机倾斜摄影的公路边坡三维重建和灾害识别方法，从而实现了公路边坡灾害场景的自动识别。Shuai Liu 等人针对传统的野外地质露头数据采集方法存在的局限性［3］，引入了无人机倾斜摄影技术及快速三维建模技术，从而更真实地记录地质露头的信息，提高了数据的质量和精度。因此，研究借助倾斜摄影测量技术来克服传统绘制大比例尺地形图的困难和限制，构建基于无人机倾斜摄影测量技术的地形图测绘模式，选用不同数量的像控点布置方案处理倾斜摄影数据，并对成果精度进行了对比分析。研究旨在为大比例尺地形测量生产提供更高效、更准确和更可靠的方法，并为地理信息科学和工程测绘领域的发展贡献重要研究成果。

1 基于倾斜摄影测量技术的地形图绘制模型建立

1.1 基于无人机的倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是一种新兴的航空摄影技术，主要是利用无人机搭载倾斜摄影相机，以多角度和多方向拍摄地面图像，生成具有多个视角的影像数据［4］。在执行航摄任务时，无人机根据预先规划的飞行计划，飞至目标区域，分别从前、后、左、右和垂直5 个角度同步进行数据采集。为确保数据采集的完整性和准确性，需要合理选择和设置航摄参数，包括地面采样间隔（Ground Sampling Distance，GSD）、航高、影像重叠度、摄影基线和航线间隔。这些参数的选择对于后续的数据处理和地图生成至关重要。

1）GSD，指在地面上一单位距离对应于图像上的像素数量。研究主要目的是绘制1∶1000 比例尺的地形图，因此，选择GSD 约为0.10 m 以确保地形图的精度满足特定的要求。

2）航高，指无人机相对于地面的垂直高度。航高的选择应考虑地图精度、数据采集速度和地形复杂性。

3）影像重叠度，包括航向重叠度和旁向重叠度。适度的影像重叠度对于后续数据处理和地图制作非常重要。航向重叠度通常在60%到80%之间，旁向重叠度通常在20%到40%之间。

4）摄影基线，指在倾斜摄影中航摄仪连续两次曝光瞬时两物镜前节点空间位置的连线。选择较大的摄影基线可以提供更多视差信息，有利于提高三维建模精度，但需要考虑地形高程变化和任务需求。

5）航线间隔，指相邻航线之间的水平距离。较小的航线间隔提供更多的数据重叠，有助于建立更精确的地形模型，但需要大量的飞行时间。较大的航线间隔，易造成数据质量下降，适用于地势相对平坦的地理区域。

针对上述5 个航摄参数，在实验时均做出合理设计以满足要求。

1.2 多旋翼与固定翼无人机辅助的倾斜摄影地形图绘制模型

在摄影测量技术中，有2 种常见的应用方案，即多旋翼无人机倾斜摄影方案和固定翼无人机倾斜摄影方案［5］。研究对比了这2 种方案之间的区别，如表1 所示。

表1 多旋翼无人机倾斜摄影和固定翼无人机倾斜摄影的主要区别

由表1 可知：多旋翼无人机和固定翼无人机技术原理、功能以及适用领域均存在较大的区别。多旋翼无人机以多视角倾斜摄影的方式进行数据获取，遮挡较小，能多方位获取数据，较适合地形复杂、分辨率要求高、工作周期短的精细化工程；针对覆盖范围广、工作周期长、地形地势变化简单的工程，固定翼无人机优势更加明显，固定翼无人机飞行速度快、续航时间长的特点，可以高效、快速地完成范围广、精度要求相对较低的工程任务。两者在不同应用领域存在各自的优势，因此，研究结合多旋翼无人机和固定翼无人机，共同辅助倾斜摄影测量技术并应用于工程绘制大比例尺地形图中，以充分发挥两者的优势，满足不同任务需求。研究提出的多旋翼与固定翼无人机辅助的倾斜摄影地形图绘制模型的流程如图1 所示。

图1 多旋翼与固定翼无人机辅助的倾斜摄影地形图绘制模型流程图

利用倾斜摄影测量技术可以快速获取地物地貌实景信息，并通过影像畸变修正、去噪、校正、图像配准、影像匀光匀色等影像处理工作后，进行原始影像POS 数据处理及空三解算，经多视影像匹配技术以及纹理映射处理可生成实景三维模型。初步生成的三维模型会出现一定程度的水面镂空、结构扭曲等问题，可通过人工结合实际影像数据进行实景三维模型精细化修复。通过人工精细化修复的三维模型即可投入地形图绘制使用。

研究着重关注数据预处理后构建的三维模型的几何精度是否满足相应比例尺的地形图精度要求，使用平面精度和高程精度2 个指标进行检测。平面精度通过计算多个地物特征点处坐标和模型对应位置的坐标差值来计算其中误差。高程精度检测涉及高程检查点的收集，将它们映射到三维模型上，测量模型上对应位置的高程值，然后，计算实际高程值与模型估算高程值之间的差异，以得出高程精度的中误差。如果检查点数量小于30 个，可利用误差值的平均值来代替中误差。

对于高精度检测，即检查点精度等级高于图面测量精度时，中误差的计算表达式如式（1）所示：

而对于同精度检测，即检查点精度等级等于图面测量精度，表达式如式（2）所示：

式（1）与式（2）中：E、s与Δi分别为中误差、检查点总数与较差。

2 倾斜摄影测量技术在地形图绘制中的实验分析

为确认倾斜摄影测量技术在地形图制作中的可行性和准确性，尤其要验证提出的地形图绘制模型的有效性，研究共设置了2 个不同的实验区域，通过在不同地理环境和地形条件下进行实验，可以更全面地对倾斜摄影测量技术与模型进行评估。

首先，实验1 的实验区域位于郊区，地形平坦，覆盖面积长约1.2 km，宽约1.0 km，最高海拔为490 m，最低海拔为440 m，最大高差为50 m。实验的主要目的是绘制1∶1000 比例尺的地形图。在像控点的设置与测量方面，按照要求，总共布设了9 个像控点，布设位置分别为4 个角点、4 条边的中点以及中心点。为保障像控点坐标的精度，利用GNSS-RTK对像控点的平面坐标和高程坐标进行数据采集。此外，还设置了4 个平面检查点和67 个高程检查点。在实际飞行操作中，无人机起飞点的高程为460 m，相对航高为230 m，航向重叠度和旁向重叠度分别为70% 和30%。摄影基线长度为60 m，航线间距为145 m，最低分辨率为0.10 m。在数据处理阶段，以像控点数量为控制量，设计了两种数据处理方案，如图2 所示。

图2 实验1 不同计算方案

第1 种方案采用了9 个像控点，像控点之间的平均距离维持在500 m 至600 m 之间。第2 种方案则采用数量较少的像控点，仅利用了实验区域4 个角以及中心位置的5 个像控点，像控点的平均间距增至约780 m。采用方案1 生成的实景三维模型细节如图3 所示。

通过计算地物点平面位置中误差和高程注记点高程中误差来检核2 种方案。前者指地形图上标注的地物点的实际测量位置与地形图上应该出现的位置之间的误差，通常用于评估地形图的平面几何精度。后者则是指地形图上标注的高程注记点的实际测量高程与地形图上应该具有的高程之间的误差，通常用于评估地形图的垂直几何精度。实验结果显示，2 种方案产生的误差值有明显区别，如图4 所示。

图4 实验2 不同计算方案中误差对比

由图4 可知：方案1 的平面位置中误差为0.05 m，显著低于规定的0.6 m 的允许值，表现出较高的精度水平。方案2 的平面位置中误差为0.14 m，在允许范围内，但高于方案1 的平面位置中误差，精度相对较低。对于0.5 m 等高距，方案1 的高程中误差为0.13 m，低于规定的0.21 m 允许值，方案2 的高程中误差为0.15 m，同样低于规定值。对于1.0 m等高距，方案1 的高程中误差为0.14 m，明显低于0.3 m 的允许值，方案2 的高程中误差为0.26 m，也低于规定值。综上可知，方案1 整体精度优于方案2，说明增加像控点的密度可在一定程度上提高了地形图精度。

实验2 的实验区域位于黄土高原沟壑地貌地区，地势复杂，地形特征呈现出较大的起伏，覆盖面积约5.6 km2，形状不规则，海拔最大跨度达270 m，从最低海拔980 m 至最高海拔1250 m。实验的目标是绘制1∶1000 比例尺的地形图。在实验区域内共布设了12 个像控点，设计航向和旁向距离为400 m，采用GNSS-RTK 技术获取平面坐标和高程信息。为提高测量精度，额外增加布设了8 个平面检查点和43个高程检查点。外业航飞起飞点海拔1100 m，相对航高为300 m，采用了75%的航向重叠度和35%的旁向重叠度，摄影基线长度为60 m，航线间距为140 m，最低分辨率为0.08 m。实验2 采用了4 种不同的计算方案进行数据处理，如图5 所示。

图5 实验2 不同计算方案像控点放置示意图

由图5 可知：方案1 采用所有可用的像控点，方案2 剔除了实验区域内部的2 个像控点，方案3则剔除了中点边界的4 个像控点，而方案4 仅使用实验区域边界拐角处的6 个像控点，以评估在像控点数量相对较少的情况下，倾斜摄影测量技术以及所提出的模型在性能和数据准确性方面的表现。4种不同方案下中误差结果以及与规范允许值对比结果如图6 所示。

图6 实验2 采用的4 种不同计算方案中误差对比

由图6 可知：使用较多像控点的方案在测试中表现出色，其精度明显优于其他方案的精度。随着像控点密度的减少，各测试方案的中误差逐渐增加，这一趋势符合预期。具体来看，针对地物点的平面位置中误差，规范要求的允许值为0.8 m。第1方案中误差仅为0.09 m，明显低于规范的要求。第2、第3 和第4 方案的中误差分别为0.25 m、0.11 m和0.16 m，尽管略微高于第1 方案的，但仍然在规范允许的范围内。再者，对于高程注记点的高程中误差，规范要求的允许值为0.6 m。在第1 方案中，高程中误差仅为0.06 m，表现出色。第2 方案为0.12 m，第3 方案为0.21 m，第4 方案为0.41 m。

3 结语

针对传统大比例尺地形图绘制中存在的不足，研究提出了一种利用倾斜摄影测量技术进行工程绘制大比例尺地形图的方法，通过实验验证了该方法的有效性。在实验1 中，2 个设计的计算方案中的误差均满足规范要求，如平面位置中误差分别为0.05 m 和0.14 m，远低于0.6 m 的允许值。在实验2中，设计了4 个数据处理计算方案，方案均满足最大允许值要求，其中使用较多像控点的方案中误差最小。倾斜摄影测量技术为航测和地理信息领域提供了实际应用价值，同时也为相关研究提供了新的思路和数据支持。本研究仅涵盖了特定地理环境下的实验，如平坦地区和坡地地区。对于其他地理环境，如城市、森林或沼泽地等，倾斜摄影测量技术的适用性仍需要进一步研究和验证。