基于傾斜攝影測量技術(shù)的大比例尺地形圖質(zhì)量檢驗

曹理想

(蚌埠市勘測設(shè)計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著我國城市化建設(shè)進程不斷加快，大比例尺地形圖作為城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資源的重要組成部分，其測制覆蓋范圍不斷加大，更新頻率也不斷提高。大比例尺地形圖成果數(shù)據(jù)生產(chǎn)快速增加，這給質(zhì)量檢驗人員快速、高效、準(zhǔn)確地開展質(zhì)量檢驗工作提出了更高的要求。在大比例尺地形圖的成果質(zhì)量檢驗中，數(shù)學(xué)精度和地理精度仍分別采用外業(yè)數(shù)據(jù)檢測和人工外業(yè)巡查[1]。該方法檢驗精度高，結(jié)果可靠，但外業(yè)檢測點的采集效率低，地理精度外業(yè)巡查時間長，占用了大量的人力物力資源。

近年來傾斜攝影測量技術(shù)迅速發(fā)展[2]，通過獲取多個角度、高重疊度的影像，采用多視影像匹配和聯(lián)合平差算法，輔助一定數(shù)量的像控點，可生成具有較高位置精度和豐富地物紋理信息的實景三維模型，然后在三維模型上直接采集得到滿足精度要求的地形圖成果[3]，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市三維模型建設(shè)和大比例尺地形圖測繪。本文提出基于傾斜攝影測量技術(shù)的大比例尺地形圖質(zhì)量檢驗的技術(shù)方法，進而改進地形圖質(zhì)量的檢驗流程，更好地提高質(zhì)量檢驗工作效率。

2 傾斜攝影測量技術(shù)原理

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來遙感測繪領(lǐng)域發(fā)展較為迅速的新興技術(shù)之一。通過在同一飛行平臺上搭載一組五鏡頭傾斜相機，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，分為正攝、前視、后視、左視、右視，配合IMU/DGPS獲取高精度的姿態(tài)和位置信息，通過特定的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，將所有影像納入統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[4～7]。因此與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，傾斜攝影技術(shù)具有高效率、高精度和高性價比，其應(yīng)用也越來越廣泛。

3 應(yīng)用案例

3.1 項目概況

以某區(qū)東部建成區(qū)1∶1 000地形圖為例，該測區(qū)面積6.7平方千米，地勢平坦，具體范圍大致呈梯形分布，包含物流園區(qū)、職教園區(qū)和居住小區(qū)，以2層～6層為主，少量居住小區(qū)建筑為18層～26層。

3.2 技術(shù)流程

目前，大比例尺地形圖質(zhì)量檢驗中平面、高程精度的檢測點采集主要采用全野外采集的測量方式，工作效率偏低；地理精度評定工作需要的人工全面巡視，外業(yè)巡查工作量大。數(shù)學(xué)精度和地理精度的質(zhì)量評定占據(jù)了整個質(zhì)量檢驗工作中的大部分工作量。鑒于此，本文基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)，依據(jù)項目技術(shù)設(shè)計及相關(guān)技術(shù)、檢驗規(guī)范編制了大比例尺地形圖質(zhì)量檢驗技術(shù)方案，具體流程如圖1所示。以無人機傾斜攝影測量替代原有傳統(tǒng)測量手段，提升數(shù)學(xué)精度檢測效率，以實景三維影像輔助地理要素進行外業(yè)巡查，大大降低質(zhì)檢人員工作強度，整體提升大比例尺地形圖測繪成果質(zhì)量檢驗效率。

圖1 質(zhì)量檢驗流程圖

3.3 抽取樣本

依據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》GB/T 24356-2009規(guī)定，按檢驗批的批量確定抽取5幅樣本圖幅，研究基于傾斜攝影測量技術(shù)開展大比例尺地形圖成果數(shù)學(xué)精度和地理精度評定的可行性和適用性。

3.4 數(shù)據(jù)采集

(1)像控點測量

在傾斜攝影前布設(shè)像控點，像控點的目標(biāo)應(yīng)清晰、易于判別和立體量測，且應(yīng)設(shè)置在高程起伏較小、易于準(zhǔn)確定位和量測的地方[8]。隨著無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)配備IMU/DGPS設(shè)備，大大降低了布設(shè)密度，像控點按區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，由于傾斜攝影重疊度高、有多視角影像，計算機密集點云數(shù)據(jù)匹配功能強等，外業(yè)布設(shè)像控點位基線跨度可適當(dāng)放寬，一般情況下均布設(shè)為平高點，像控點平面坐標(biāo)和高程利用AHCORS采用RTK方式進行測量。測量像控點的同時應(yīng)進行檢查點采集，用于評定內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的精度。

(2)傾斜影像獲取

傾斜影像獲取時根據(jù)樣本圖幅分布區(qū)域確定飛行范圍，合理規(guī)劃飛行航線，因地勢平坦，建筑物高度均在 80 m以下，考慮到傾斜攝影相機拍攝角度，為保證邊緣物體立體成像，航線覆蓋超出測區(qū)邊界線至少3條航線。最終確定航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，飛行高度 150 m。飛行中采用GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航，按照航線設(shè)計數(shù)據(jù)飛行，航空攝影時，飛行要盡可能平穩(wěn)，航線彎曲度不應(yīng)大于3%。飛行數(shù)據(jù)檢查時應(yīng)保證影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，能夠辨別與地面分辨率相適應(yīng)的地物影像。

3.5 數(shù)據(jù)處理

將預(yù)處理后的傾斜影像、POS成果、像控成果等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DP-Smart軟件新建工程中進行三維建模。采用多基線特征匹配技術(shù)，結(jié)合POS數(shù)據(jù)生成連接點，利用像控點進行區(qū)域網(wǎng)平差完成空中三角測量，解算出各影像外方位元素[9]。利用軟件提供的并行算法獲得高密度的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)，并生成白模的三維模型。對生成白模的三維模型賦予紋理，由于傾斜攝影能夠獲取詳細(xì)準(zhǔn)確的影像與地理信息，再加上先進的定位技術(shù)所獲取的影像都具有精確的坐標(biāo)信息，通過紋理映射，可自動迅速地將影像紋理貼在相對應(yīng)的三維模型面上，生成基于影像紋理的高分辨率實景三維模型[10]，如圖2所示。

圖2 實景三維模型

3.6 精度評定

(1)數(shù)學(xué)精度

根據(jù)實地情況，每個樣本圖幅內(nèi)分別利用全站儀、RTK等傳統(tǒng)方式和基于南方CASS 3D成圖軟件的三維繪圖模式下分別采集平面位置、高程檢測點均不少于32個檢測點與原圖進行比較，實景三維模型采集平面檢測點如圖3所示，平面、高程實測精度對比分析表如表1、表2所示。

圖3 實景三維模型采集平面檢測點

實景三維模型和全站儀實測平面精度對比表 表1

實景三維模型和全站儀實測高程精度對比表 表2

從檢測結(jié)果可以得出，采用實景三維模型檢測平面、高程精度略低于采用全站儀等常規(guī)方式檢測平面、高程精度，均滿足地形圖檢測的精度要求。

(2)地理精度

地理精度檢驗主要質(zhì)量元素有地理要素完整性與正確性、綜合取舍合理性等[11]。傳統(tǒng)檢驗手段均采用人工實地巡視的方式進行，為保證地理精度檢驗的全面性，要求檢驗人員必須對樣本圖幅內(nèi)地理要素進行全面巡視，這種方式存在工作量大、效率低等缺點。利用實景三維影像對樣本圖幅內(nèi)的地理要素進行全面檢查，可以快速、直觀地判別地理要素的完整性和正確性等，如圖4所示，兩處室外臺階的部分平臺錯繪制成臺階，且其中一處室外臺階大小錯繪。通過全面比對實景三維影像檢查后，少量重要地理要素輔以人工外業(yè)核實，將外業(yè)巡查的工作強度大大降低，這樣不僅提高工作效率，同時改善了工作環(huán)境。

圖4 實景三維模型輔助檢查

4 結(jié) 論

通過對傾斜攝影測量與傳統(tǒng)測量手段獲得的成果數(shù)據(jù)分別與原圖進行精度對比，結(jié)果表明，傾斜攝影測量手段開展大比例尺地形圖的數(shù)學(xué)精度質(zhì)量檢驗，能夠減少傳統(tǒng)檢驗方式中的平面、高程精度檢測不均勻性，提高質(zhì)檢效率。實景三維影像輔助地理要素進行外業(yè)巡查，能大大降低質(zhì)檢人員外業(yè)巡視工作時間，提高外業(yè)地理精度檢驗效率，能夠有效保證地理精度檢驗的全面性。傾斜攝影測量技術(shù)適用于大比例尺地形圖成果的數(shù)學(xué)精度和地理精度檢驗。