基于垂直攝影生產大比例尺地形圖的兩種方式對比分析

王國仁

(中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊,寧夏 銀川750000)

隨著測繪技術的不斷發展,無人機攝影測量在逐步取代傳統測繪,成為目前主流生產4D 產品的作業方式[1]。隨著河湖確權項目的開展,大量的數字線劃圖數據生產迫在眉睫。傳統的生產數字線劃圖都是基于外業實測,效率低、成本高、周期長[2]。目前生產數字線劃圖主要是基于立體像對進行,然而對于無人機數據而言,由于其像幅小,視差大,采集效率也不高,立體采集對作業人員要求高[3]。隨著傾斜攝影的出現,傳統的立體采集慢慢的被實景三維模型裸眼采集所取代,但是三維模型建模效率低,對電腦配置需求高,也有一定的局限性。針對存在的問題,出現了基于垂直攝影的DOM 和DEM 疊加采集的作業方案,DOM提供平面位置坐標,DEM提供高程信息,從而得到數字線劃圖所需要采集的要素[4]。本文采用PIX4D 軟件對帶狀垂直攝影采集的影像進行空三加密解算和正射影像生產,然后利用航天遠景軟件進行立體、裸眼采集,并對兩種采集方式在硬件配置、工程恢復、易用性、效率和精度方面進行對比,對后續生產大比例尺地形圖的同行具有一定的借鑒意義。

1 垂直攝影簡介

1.1 垂直攝影原理介紹

垂直攝影是指在無人機飛行平臺上搭載下視鏡頭,完成對地面物體影像的采集。

1.2 垂直攝影生產地形圖的作業流程

主要包括數據預處理、空中三角測量、像控點轉刺與平差、DEM生產、DOM 生產、DEM+DOM 建模,地形圖采集和精度檢測,具體見圖1。

圖1 垂直攝影生產地形圖流程圖

2 實例驗證

2.1 數據源簡介

本次實驗數據來源于河湖確權項目,測區高差約300 米,呈帶狀走勢,河湖兩側樹木較多,但坡度基本上一直。在作業時,采用固定翼搭載2400w 像素非量測相機進行航攝,相機焦距35mm,采集影像地面分辨率為0.08 米,測區長約30 公里,布設像控點89 個,針針對實驗部分,布設25 個檢測點,對后續兩種作業方式生產的地形圖精度進行檢測。

2.2 軟件介紹

2.2.1 PIX4D 軟件。PIX4D 是一款無人機攝影測量處理軟件,可以通過空三加密解算,將航拍影像轉換為2D 和3D 成果,具有操作簡單、自動化程度高等特點。本次數據生產,使用該軟件獲得了高精度的空三加密成果和DSM、DOM成果。

2.2.2 MapMatrix 軟件。MapMatrix 系統是基于航空、衛星遙感、外業等數據進行多源空間信息綜合處理的平臺。主要具有全/半自動影像內定向,相對定向和絕對定向功能,強大的矢量采集和編輯功能。在本次測試中,主要基于空三加密成果完成地形圖的采集。

2.2.3 MapMatrix3D 軟件。MapMatrix3D 圖陣三維智能測圖系統是基于傾斜建模數據的測量系統。該系統具備對OSGB 三維模型數據進行編輯、高精度智能測圖等技術特點。該系統具備作業過程自動化、采編入庫一體化、數據處理海量化等優勢,可廣泛地應用于基礎測繪、城市規劃、國土資源、軍事測量、公路、鐵路、水利、電力、能源、環保、農業、林業等眾多應用領域。在本次測試中,主要基于DOM 和DEM 建模,然后進行地形圖的采集。

2.3 兩種測圖方式對比

主要對硬件配置需求、工程恢復、易用性、效率和精度進行對比分析,并得出兩種測圖方式在各方面的優缺點。

2.3.1 硬件配置需求對比

兩款軟件對電腦配置需求見表1。

表1 兩款軟件對電腦配置需求表

通過表1 可以明顯看到,傳統立體采集對電腦的配置需求遠高于目前主流的裸眼采集,在兩種作業方式生產的成果滿足規范的前提下,就硬件配置方面來說,采用裸眼采集支出的費用更少,更經濟實惠。

2.3.2 工程恢復對比

MapMatrix 軟件在對空三成果進行恢復的過程中,主要涉及到工程的創建、影像加載、相機數據導入、內定向、創建立體模型、相對定向、絕對定向、采集核線、數字化測圖和DLG 成果輸出。MapMatrix3D 軟件在恢復工程的時候,主要包括工程創建、模型定向、DEM+DOM建模、數字化測圖和DLG 成果輸出。通過工程恢復對比可以看出,基于立體像對測圖,工程恢復復雜,且極易出現問題,而基于模型測圖,工程恢復簡單,不易出現問題。

2.3.3 易用性對比

MapMatrix 是基于立體虛擬像對進行地形圖采集,對操作人員業務技能要求很高。對于未接觸過的人員來說,學習周期長、需要掌握并能生產符合要求的成果,基本上需要3 個月以上的學習和訓練。MapMatrix3D 是基于裸眼立體采集,這種方式更符合人眼對地物的認知,對于多數作業人員來說,有CASS 操作基礎,可以很容易掌握該款軟件。由于是裸眼采集,不需要調節高程進行地面高程采集,操作更加方便。

2.3.4 效率對比

效率對比主要從采集環節和整個生產環節進行對比。

采集環節,是單指恢復工程后,對地形圖進行采集。

整個環節,是指數據生產、恢復工程、完成采集任務整個過程。對于立體像對采集來說,包括空三加密解算、測圖工程恢復和地形圖采集三個環節的時間；對于裸眼測圖來說,包括空三加密解算、DEM和DOM生產、測圖工程恢復和地形圖采集四個環節的時間。

由于測試具有不確定性,為了得到的數據更加可靠,本次測試安排5 個作業人員,分別用兩種方式對同一范圍的地形圖進行采集,并對所用時間進行統計,統計結果見表2。

表2 不同采集作業方式下不同作業員各環節效率統計表

2.3.5 精度對比

利用25 個檢測點,采用同精度檢測的方式,對5 個作業人員采用兩種方式生產的地形圖精度進行檢測,檢測結果如下:采用立體像對測圖,5 個作業員人員采集的地形圖平面位置中誤差分別為:0.354 米、0.367 米、0.385 米、0.346 米、0.356 米,高程位置中誤差分別為0.451 米、0.502 米、0.489 米、0.458 米、0.512 米,采用裸眼測圖,5 個作業員人員采集的地形圖平面位置中誤差分別為:0.364 米、0.379 米、0.405 米、0.365 米、0.365米,高程位置中誤差分別為0.424 米、0.485 米、0.466 米、0.423米、0.494 米。通過對檢測結果分析可知:立體像對測圖平面精度要比裸眼測圖精度高,但是高程精度略比裸眼測圖精度差。結合1:1000 地形圖生產規范要求可知,兩種作業方式生產的地形圖成果均滿足規范要求,可采用兩種方式生產1000 比例尺的數字線劃圖,也可結合兩種測圖方式的各自優勢,獲得更高精度的數字線劃圖成果。

2.3.6 對比匯總

對以上多方面對比結果匯總,匯總結果見表3。

表3 各項對比內容匯總表

3 結論

本文通過對兩種測圖方式在多方面的對比分析,得出兩種測圖方式的優缺點,根據其各自的優缺點,可以更加有效地提高地形圖的成果精度,且提高生產效率。對以后采用相同方式生產數據的作業人員具有一定的借鑒意義。