傾斜攝影測量技術(shù)在城市地形測繪中的應(yīng)用

李金源 羅怡靜 雷良焰 賀宇晴

（西華大學 土木建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610039）

1 傾斜攝影測量原理

航測中傾斜攝影測量技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限。其原理是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜共五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。基本原理為：影像糾正——獲取特征點——三維建模——物體測量。作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1

傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)本質(zhì)上來看是網(wǎng)格面模型，它是點云通過一些算法構(gòu)成的。內(nèi)業(yè)軟件基于幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程，可計算出基于影像的超高密度點云。點云再構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型最后經(jīng)過紋理映射構(gòu)建出真實三維模型。

2 傾斜攝影測量相比于傳統(tǒng)測量的優(yōu)勢

傳統(tǒng)測量的工作內(nèi)容包含控制測量、外業(yè)采集碎部點、內(nèi)業(yè)成圖、外業(yè)調(diào)繪等。無人機航測的工作內(nèi)容為像控點的布設(shè)、外業(yè)航飛及影像處理、三維建模、內(nèi)業(yè)編輯以及外業(yè)調(diào)繪。以20 平方公里測區(qū)為例（成圖比例尺1：2000）來具體比較兩者間的差異可得出后者的優(yōu)點。

2.1 受環(huán)境因素影響小，響應(yīng)準確快速

傳統(tǒng)測量需要2 個內(nèi)業(yè)作業(yè)員以及16 個外業(yè)作業(yè)員共八組，且作業(yè)過程受到天氣、信號以及地面情況的影響。傾斜攝影測量需要內(nèi)業(yè)10 個外業(yè)作業(yè)員，8 個內(nèi)業(yè)作業(yè)員共四組。可以看到傾斜攝影測量的外業(yè)工作量小于傳統(tǒng)測量，且在操控和運輸?shù)倪^程中不受設(shè)備負擔的影響，能攜帶不同的相機滿足高效獲取圖形的需求。[1]在低空飛行中，傾斜攝影測量對起降場地的優(yōu)勢體現(xiàn)為對起降場地的要求不多，且在低空飛行中基本不會受到氣候的影響（除少數(shù)極端惡劣天氣）。在實際應(yīng)用中對低空空域的工作申請可行性較高，且準備工作簡單，升空20 分鐘后即可進行工作，工作過程中可以根據(jù)具體的工作要求靈活而及時的進行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)可快速響應(yīng)做出移動。相比之下傳統(tǒng)測量非常依靠協(xié)調(diào)工作，不能滿足及時做出響應(yīng)的需求。

2.2 性價比突出，獲取資料成本低、數(shù)據(jù)準確、操作靈活

傳統(tǒng)測量需要63 天（1134 工天），外業(yè)人員測圖，內(nèi)業(yè)人員繪圖每小組0.04 平方公里/天。而航測僅需12 天（98工天），具體為航飛加上布設(shè)四角控制點需要0.5 天，空三加密需要1 天（大約1000 張影像），DLG 采集需要6 天（每人0.33 平方公里/天），外業(yè)調(diào)繪需要4.2 天（每個小組1.2平方公里/天）。前者（硬件成本1 萬，軟件成本0.5 萬，人工成本56 萬），而后者總成本僅為13.9 萬（硬件5 萬，軟件4 萬，人工成本4.9 萬），拋開時間成本不談，僅財力方面的消耗就節(jié)省了52%。[2]

除此之外，傾斜攝影測量方式完美融合了分層顯示及紋理映射兩項技術(shù)，為數(shù)據(jù)獲取及后期建模奠定基礎(chǔ)。對于技術(shù)上的追求也不可以拘泥應(yīng)將更多的高新技術(shù)與之合理、有效的結(jié)合,發(fā)揮出更加強大的作用。如無人機與紅外線遙感、多光譜遙感、雷達測繪等多種遙感測繪技術(shù)的完美結(jié)合,一定會更好地拓展傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,為測量技術(shù)開創(chuàng)一個全新的時代。

3 無人機航空測量在城市地形圖測繪中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的測量一般是通過采取地形地物頂部的方式來獲取高程信息以及地貌信息，這種方式對具有明顯輪廓的地形地物具有較好的測量結(jié)果。但傳統(tǒng)攝影測量無法獲取目標垂直方向的紋理信息，對于不規(guī)整的地物難以獲取立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，同時也存在著一定的限制（例如飄樓）。而隨著相關(guān)理論技術(shù)的發(fā)展，航空攝影測量從原本的垂直相機工作轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r搭載多個傾斜相機的組合，好處之一是能夠直接獲取側(cè)面紋理，直接降低成本。

3.1 城市管理及竣工驗收

三維模型的優(yōu)點是可以真實地還原地物原本面貌，比如對于違章建筑物的排查、危險地形三維形變檢測等。[3]采用傳統(tǒng)的人工調(diào)查、人工測量的方式耗時耗力，傾斜攝影測量的三維重建技術(shù)在效率上遠超傳統(tǒng)的人工手段，便于城市管理人員及時了解城市地貌地物等的變化情況，并及時制定相應(yīng)的舉措。同樣對于建設(shè)中的竣工階段，傳統(tǒng)手段提交的多為平面圖或者文檔等二維資料。對于不規(guī)則的建筑物無法有效核實，通過傾斜攝影測量構(gòu)建的三維模型能有效的彌補這一缺點，減少竣工驗收的工作量。

3.2 傾斜攝影測量與BIM 模型融合

傾斜攝影三維建模軟件(Skyline PhotoMesh)是基于傾斜攝影技術(shù)和圖形運算單元GPU 技術(shù)進行自動批量建模的應(yīng)用軟件，通過對多視角傾斜影像、真實街景數(shù)據(jù)、正射影像等不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進行同名點分析與提取、多視匹配融合、自動紋理匹配和貼合等操作，在無需人工干預(yù)的情況下，自動批量處理原始影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建出全要素的、精細的、帶有紋理的真實三維模型。[4]Skyline PhotoMesh 軟件具有圖形處理性能高、模型精度高、交互性強、支持多源數(shù)據(jù)和多元輸出等特點，利用Skyline PhotoMesh 軟件建模與傳統(tǒng)建模方法相比，減少了人工成本和建模時間，提高了模型精度和建模效率。

基于Skyline 軟件對BIM 模型和傾斜攝影測量的模型進行融合，利用Skyline 可以將BIM 模型、手工模型、真彩色模型等轉(zhuǎn)換到三維立體數(shù)據(jù)庫，然后利用Spatial Framework Services 進行發(fā)布，輔助不同領(lǐng)域進行施工決策。將兩種模型融合到一起既保留了建筑的固有信息，又增加了外部真實的紋理信息。[5]實現(xiàn)了BIM 設(shè)計模型的一體化與可視化，對項目的施工方案設(shè)計、完成進度展示以及工程造價等方面都具有較好的輔助作用。[6]

3.3 相片控制

使用無人機傾斜攝影測量的技術(shù)手段能有效推進城市地形圖測繪工作穩(wěn)步有效的行進。對于測繪人員而言它一是可以幫助測繪人員全面立體掌握城市地形圖的信息，二是能夠為全球定位系統(tǒng)提供一定量上的信息補充。通過把地面測繪得到的信息與無人機航空攝影所拍攝到的信息進行交換整合有利于提高工作人員航空攝影測量的準確度。與此同時也可以通過優(yōu)化布置點位以及放置特殊控制點的手段結(jié)合全球定位系統(tǒng)，有效提升航測的可操作空間，此舉可以極大程度上減少外部因素對于航空攝影測量的影響從而使準確度得到保障。[7]

4 結(jié)語

經(jīng)濟社會的高速發(fā)展為我國無人機測量技術(shù)的推廣以及升級提供了保障。輕松的數(shù)據(jù)采集，高度的建模自動化同時減少人工干預(yù)，相比于傳統(tǒng)測量，無人機航空測量技術(shù)由于其靈活性強、適用范圍廣等特點，在城市地形的測繪中發(fā)揮了重要的作用。[8]新的測量技術(shù)必然會催生新的應(yīng)用模式，未來傾斜攝影測量技術(shù)必然會成為測繪的主要方式之一。