傾斜攝影測量技術在灘涂數據采集中的應用

摘? 要：近年來傾斜攝影測量技術愈發成熟，作為一種高效率、高性價比的數據采集手段，其具備大量的應用創新點可以挖掘。灘涂區域數據采集受地形、地貌、潮位影響，是測繪外業工作的難點所在。文章以莆田市藍色海灣整治行動項目沿海灘涂數據采集工作為例，研究通過傾斜攝影測量技術采集淺海灘涂數據的可行性，并分析所采集數據成果的精度和質量。

關鍵詞：灘涂數據采集;傾斜攝影測量;免像控;裸眼3D采集

中圖分類號：P231? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0037-04

Application of Oblique Photogrammetry in Mudflat Data Acquisiton

ZHANG Qiang

（Fujian Provincial Investigation，Design & Research Institute of Water Conservancy & Hydropower，Fuzhou? 350001，China）

Abstract：In recent years，oblique photogrammetry technology has become more and more mature. As an efficient and cost-effective data acquisition method，it has a large number of application innovation points to explore. Data acquisition of tidal flat area is affected by topography，landform and tide level，which is the difficulty of surveying and mapping field work. Taking the coastal beach data collection work of Putian Blue Bay regulation action project as an example，this paper studies the feasibility of collecting shallow sea mudflat data by using oblique photogrammetry technology，and analyzes the accuracy and quality of the collected data.

Keywords：mudflat data collection;oblique photogrammetry;image free control;naked eye 3D acquisition

0? 引? 言

潮間帶灘涂數據采集是測繪外業工作中的難點所在，傳統采集手段受限嚴重。傳統手段數據采集情況如下：人工攜帶RTK測繪，受淤泥覆蓋層、水道、潮水等因素影響，采集效率低，安全隱患大;全站儀免棱鏡測繪，受作業半徑、設站條件等因素影響，采集效率低，部分特征點采集困難;測深船水下測量，作業時長和安全性受潮水、地形特點、養殖區等因素影響明顯。采用無人機搭載傾斜攝影設備進行灘涂區域數據采集在效率與安全性上比傳統手段更合適，其比傳統航測手段航線設計更加靈活、產品類型更豐富、內業成圖更便捷，相比機載激光雷達技術成本更低。

1? 項目概況

莆田市藍色海灣整治行動項目位于福建省莆田市，含木蘭溪入海口子項目和媽祖城子項目。工程通過海岸帶生態修復、濱海濕地生態修復、海岸海域生態修復，構建完善的海岸帶生態系統，恢復海岸帶局部區域的生物多樣性，提升局部區域海水水質。本文將木蘭溪入海口子項目的灘涂數據采集工作作為研究內容，項目區位置如圖1所示，呈不規則形狀，數據成果要求1：1 000地形圖及相應的DOM、DEM、傾斜三維模型。涉及的灘涂面積為2.38 km2，分布為左岸涵江區0.52 km2，右岸秀嶼區1.86 km2。測區高程主要分布在–1.5～2.5 m，以泥灘為主，漲落潮時海水渾濁，其與灘涂在視覺上很難分辨。周邊為黃蟶的重要養殖區域，且水道較多地形復雜。在交通條件上，外圍基本被蟶塘包圍，車輛通行條件較差。圖2為項目區右岸局部地形示意圖。

2? 技術路線

2.1? 技術難點

項目區落差僅4 m左右，受漲落潮影響大，可進行數據采集作業時長較短，對外業時機選擇及航線設計有較高要求。采用傾斜攝影測量技術，項目區還存在地面控制點布設難度大，標識物無法長期有效地存在，地物特征點較少等難題。

2.2? 技術流程

根據項目區條件，選擇適合作業的時間點，采用免像控技術，采用航帶與面狀相結合的方式進行航線規劃，實現對項目區90%以上的灘涂的數據采集。然后，利用人工采集數據與船載水深測量數據，對傾斜攝影測量成果進行精度分析，結合GIS、測繪技術完成數據的生產，滿足項目對數據要求。具體技術流程如圖3所示。

3? 項目實施

3.1? 資料收集

收集的資料內容除測繪基礎資料以外，還包含氣象、潮汐、灘涂范圍等。作業時間點是根據風速、雨情預測結合潮汐周期確定，最大限度保障作業安全及傾斜攝影采集數據的完整度。

3.2? 人工數據采集

人工數據采集包含像控點（檢查點）和地形高程檢查點，采集方式為RTK結合全站儀。左右岸測區在傾斜攝影作業前，均勻布設13個像控點（檢查點）。像控點（檢查點）采用網絡RTK（FJCORS定位服務）進行觀測，測繪人員在完成檢查點測量的同時，采集檢查點周邊及往返方向上的地形高程檢查點。人工采集共測量13個像控點（檢查點）及406個地形高程檢查點數據。

3.3? 傾斜攝影測量

為滿足項目進度要求，外業采集工作共投入4套無人機傾斜攝影測量設備（1套大疆M210 RTK、3套大疆精靈4 RTK）。項目所用無人機傾斜攝影測量設備均自帶厘米級定位服務，大疆精靈4 RTK還具備PPK功能。可以提供影像高精度坐標數據，滿足免像控作業要求數據內業處理選用Bentley ContextCapture Center軟件平臺，具備輸出格式類型豐富、傾斜模型精細、后期處理工作量小等優勢。

3.3.1? 航線規劃

經過項目區及周邊空域環境調查，測區地勢平坦，周邊無高層建筑物影響飛行安全。為保證數據成果更加理想，現場采集時航線規劃參數設置如下：

（1）地面分辨率設計為3.0 cm～4.2 cm，數據采集要求高于1：1 000比例尺航測規范要求。

（2）重疊率：航向80.0%、旁向75.0%。換算后最高點最小重疊度為航向74.4%、旁向69.8%滿足項目生產需求。

（3）飛行速度：考慮到江口風力及下午光照條件影響，飛行速度不高于8 m/s。

（4）快門及光圈：101S-PSDK相機設置為快門速度1/1 000 s，光圈5.6。FC6310R相機設置為快門速度1/640 s，光圈5.6。

（5）航線規劃模式：靠近低潮線采用帶狀飛行模式，飛行方向平行于低潮線，結合面狀航線規劃方式完成整體數據采集，飛行區域按測區邊界均外擴航高1.4倍以上。

3.3.2? 數據采集

無人機飛行區域覆蓋面積約3 km2，共拍攝相片23 442張，作業流程耗時約3.5 h。飛行過程中，氣候條件良好，照片成果數據完整、圖像清晰、色彩豐富、無明顯缺陷。PPK合格率100%，RTK固定率100%，POS坐標數據與照片編號匹配正確。

3.3.3? 空中三角測量

項目左右岸測區有一定距離，沒有像素連接關系，需構建兩個工程進行計算。兩個工程分別采用免像控方式結算，13個像控點作為檢查條件。空中三角測量采用Bentley ContextCapture Center軟件進行計算。具體步驟如下：

（1）新建區塊。建立兩個區塊，按左右岸項目區分別進行命名。

（2）導入影像數據。在區塊中導入對應影像數據，按相機對影像數據進行分組。匹配每個相機分組的光學屬性。

（3）導入POS坐標數據。首先建立項目區控制網七參數模型，將所有POS坐標數據原有的WGS-1984坐標系統經緯度數據轉換為2000國家大地坐標系統、1985國家高程基準數據并導入，將影像數據進行坐標匹配，保留影像中原有的角元素數據。

（4）空中三角測量計算。平差約束條件選擇高精度影像定位元數據，空中三角測量結束后，檢查連接點質量、檢查點精度、影像位置、相機屬性等均符合精度要求，具體內容詳見精度分析。

3.3.4? 攝影測量數據成果生產

在空中三角測量完成后，項目進入三維模型、正射影像及高程數據成果生產階段。在ContextCapture Center軟件中新建三維重建，定義空間框架為CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger zone 40（EPSG：4528），處理設置選擇默認。采用自適應切塊生產模式（切塊大小40 G，取決于集群中最低計算機性能）。在三維重建下進行數據生產，定義生產目的、數據類型等。本項目中主要生產的數據類型有：三維實景模型（OSGB格式、I3S格式）、DOM（TIF格式）、DSM（TIF格式）。其中OSGB數據與DOM數據結合，作為DLG數字線劃圖采集數據基礎。I3S格式提供給設計人員，在信息化平臺展示時使用。

3.4? 船載水深測量

采用船載水深測量對測區進行每200 m一條航線的檢查數據水下采集工作，采集總長度11 km，共采集1 095個檢查點。檢查正射鏡頭的快拼影像時，發現在水道部分底部可能存在水流。為提高數據精度，提取水道范圍矢量數據，安排測深船進行數據補充采集。

4? 精度分析

4.1? 空中三角測量精度

空中三角測量精度決定了傾斜攝影測量成果質量，下面我們將對左右岸兩個測區的質量報告中的關鍵參數進行分析，了解項目的空中三角測量精度情況。

（1）影像位置與輸入位置的距離。項目采用高精度影像定位元數據作為平差約束條件，影像位置空中三角測量結果與輸入數據沒有太大偏差。

左岸的空中三角測量影像位置結果與輸入位置的距離，最小距離為0.000 3 m，最大距離為0.042 6 m。右岸存在45張影像水面占比較大，影響空中三角測量精度。將這些影像剔除后，右岸影像位置的空中三角測量結果與輸入位置的距離最小為0.000 4 m，最大距離為0.103 2 m。兩個分區影像位置的空中三角測量結果精度良好。

（2）連接點質量。空中三角測量連接點的誤差會影響密集點云的精度，間接影響最終成果的精度。其中，像點重投影誤差的均方根結果是反應空中三角測量精度的重要指標之一。ContextCapture Center軟件推薦的精度要求為像點中位重投影誤差小于0.50個像素，像點重投影誤差的均方根結果小于0.70個像素。

左岸連接點像點中位重投影誤差為0.34個像素，像點重投影誤差的均方根為0.52個像素。右岸連接點像點中位重投影誤差為0.38個像素，像點重投影誤差的均方根為0.57個像素。滿足精度要求。

（3）像控點（檢查點）精度。檢查點的精度可以直觀反應空中三角測量結果精度情況，但由于灘涂項目的特殊性，檢查點數量布設較少，主要用于平面位置精度的檢查。本項目所測的檢查點均為平高點，其中左岸4個，右岸9個。根據數字航空攝影測量空中三角測量規范，檢查結果如表1所示。

4.2? 三維模型精度分析

4.2.1? 細節檢查

通過檢查，三維模型的紋理細節完整，灘涂上的養殖地貌特征明顯、線狀地物延續性良好、水邊高程合理。對模型進行初步檢查，除水面以外未發現失真扭曲的情況。

4.2.2? 像控點（檢查點）檢查

使用裸眼3D測圖平臺，將像控檢查點導入模型進行模型的絕對精度對比，與空中三角測量成果對比誤差吻合。

4.2.3? 地形點檢查

將人工采集與船載水深測量的地形點作為三維模型檢查數據，可以更準確地反映三維模型的高程精度情況。將地形點序號、坐標和三維模型匹配的DSM數據導入Global Mapper軟件。先把植被覆蓋區、水下部分等高程點剔除，剩余1 133個點采用高程提取功能讀取DSM高程屬性，將提取后的模型高程值與實測高程進行對比。其中左岸324個點，右岸809個點。

項目區灘涂水深不超過10 m。按照GB 50026—2007《工程測量規范》要求，高程中誤差為1/3等高距離。根據GB/T 17501—2017《海洋工程地形測量規范》，在深度測量中，當水深小于或等于20 m時，深度測量中誤差小于或等于0.2 m。

左岸分區三維模型高程誤差檢查結果中，絕對誤差低于10 cm的點有279個，占86%;絕對誤差在10～20 cm之間的有42個，占13%;超過20 cm的點有3個，經檢查3個點均為植被覆蓋區漏刪的情況，需剔除。

右岸分區三維模型高程誤差檢查結果中。絕對誤差低于10 cm的點有711個，占88%;絕對誤差在10～20 cm之間的有98個，占12%;無誤差超過20 cm的數據。

5? 成果制作

5.1? 數字線劃圖制作

采用裸眼3D測圖軟件，加載傾斜模型進行數據采集。由于灘涂地形的特殊性，項目區大部分地形可以通過高程點批量提取的方式生產，測圖效果圖如圖4所示。

本項目批量提取高程點的格網間距為2 m，2 m格網高程點數據用于等高線的生產。利用ArcGIS子集工具對高程點進行30%不規則抽稀，抽稀成果按15 m間隔輸入CAD作為高程注記。同時，在線劃圖中加入船載水深測量數據、人工采集數據，對數字線劃圖成果進行匯總、編輯制作。

5.2? DEM成果

將2 m格網高程點數據與船載水深測量數據、人工采集數據導入ArcGIS，利用ArcGIS地形轉柵格功能，按比例尺1：1 000設定參數，生產DEM數據。

5.3? 其他數據成果

項目需要提供高精度、真三維、可量測的三維實景模型，供設計方案展示使用。采用傾斜攝影測量技術可以快速構建項目區三維實景模型。三維實景模型（OSGB格式、I3S格式）、DOM（TIF格式）由ContextCapture Center軟件直接輸出，同時軟件支持較多數據格式如OBJ、3SM等格式的輸出，可與三維設計平臺對接。

6? 結? 論

傾斜攝影測量技術為灘涂數據采集提供了新的作業方案，將其應用在藍色海灣綜合整治項目的灘涂數據采集項目中，數據成果精度良好。傾斜攝影測量技術服務于灘涂數據采集，灘涂地形圖的生產可以極大地降低數據采集的成本、減輕勞動強度、提高工作效率，同時可以提供豐富的數據成果，可以更好地為后期項目設計、管理服務。

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作者簡介：張強（1985—），男，漢族，福建福清人，本科，測繪工程師，研究方向：攝影測量與遙感技術。