航空攝影在大比例尺地形測繪中的應用

孫 愷，肖 磊，杜 沖

（山東省國土測繪院，山東 濟南 250013）

攝影測量是指運用攝影機和膠片組合測量目標物的大小、形態(tài)和三維空間位置的技術。其歷史可以追溯到很遠，自1839年攝影術被發(fā)明之后開始，攝影測量距今已有170多年的歷史。剛開始采用的是解析攝影測量，其效率和精確度都不是很理想，但之后出現(xiàn)的數(shù)字攝影測量則完全改變了人們對于攝影測量的看法，對傳統(tǒng)的測量測繪方式是一種顛覆。而航空攝影在地形測繪中是實時的數(shù)字攝影測量，在形式上具有領先時代的意義。

1 用于測繪地形的概況

在實際的地形測繪工程中，測量工作者不可避免的會碰到很復雜的山地地形，一般情況下這樣進行傳統(tǒng)測量的成本會很高，而且測量精度會受到人工、天氣、自然地質環(huán)境的影響，對于測量的精確度影響會比較大。若是恰巧碰到雨季，淤泥和泥石流的風險也讓傳統(tǒng)人工測繪望而卻步。而采用航空攝影測繪則可以完全避免這種情況，首先，對于山地的測量采用的是全方位的三維立體數(shù)字攝影測量技術，由無人機和固定攝像頭進行拍攝，可以由工作人員在后臺進行控制，完成復雜的測繪工作。

例如，在有暴雨天氣的復雜山脈，要測繪山脈具體一個角落的地形概況，這時候就可以采用航空攝影的方式。如下圖所示，無人機可以固定數(shù)碼相機，采用物聯(lián)網(wǎng)技術與地面聯(lián)絡站保持信息同步傳輸，飛行器采用交互式飛行路徑，對于山脈的每一個面進行不同角度的拍攝，最終將所拍攝到的照片文件整合到一起，用圖像和3D繪圖處理軟件進行整合處理，得到該地區(qū)的地形三維立體圖。一般的地形測繪可能要用到matlab和CAD等圖像處理軟件，再根據(jù)實際拍攝的照片提取地域特征進行仿真模擬，設置一定的閾值，從而制作出常見的地形圖的形式。以測繪地形為目標的航空攝影往往取用豎直攝影方式，一般情況下攝影機在曝光的瞬間物鏡主光軸需要保持時刻鉛直。而事實上，由于飛機的平穩(wěn)性和攝影技能的局限性，數(shù)碼相機的主光軸在曝光時總會有微小的傾斜，按規(guī)定要求像片傾角應小于兩到三個角度，這種攝影方式被業(yè)內(nèi)稱為豎直攝影（如圖1）。

圖1 測繪地形結構圖

2 野外調繪及修補工作

由于光照、河流、雨季、生態(tài)等各種環(huán)境因素的影響，在大致了解區(qū)域地形之后，對野外進行調繪和修補工作一直是地形測繪工作中一個亟待解決的問題。野外地形復雜，而且多保護動植物，人為的進行地形勘測和修正非常耗時間，而且容易造成生態(tài)環(huán)境的破壞，對于最終的圖像準確度影響很大。這就要考慮是否可以采用無人機或者載人飛機進行航空拍攝。航空拍攝采用無人機是考慮到氣候天氣不適合載人飛機出行，容易造成風險的情況，而在天氣比較晴朗，而所測量的地貌并非很崎嶇的山路時，考慮到測量的精確度，最好還是采用載人飛機，測繪工作人員可以更加準確的做出實時判斷，這是遠程控制不具備的。

例如，在對一片海拔較低的山麓進行測繪時，由于無人機航拍的局限性，很多攝像效果不好的底片不能提供準確的地形數(shù)據(jù)，這時可以采用載人飛機進行野外調繪和修補工作。考慮到本試驗區(qū)人工地物較少的特點，為提高生產(chǎn)效率，采用先內(nèi)業(yè)后外業(yè)的成圖方法成圖。野外調繪要將原來的概況地形圖為測繪底圖，利用RTK、全站儀、圈尺等工具進行房檐改正、地名調注，新設隱蔽地物，備注地物和采集丟漏的地物，糾正內(nèi)業(yè)采集錯誤的地物，并對成果圖結果進行全面核查、修改和精度檢驗。根據(jù)光照區(qū)域隨太陽移動而發(fā)生變化這一原理，載人飛機需要及時更改測量方向，在正常情況下，三天時間可以完成直徑五十里范圍內(nèi)的山脈地形勘誤。如下圖所示，由于山體連貫，兩邊山體的在不同時間拍攝的效果也是不同的，靠近河流的一側樹木比較繁茂，仍需采用載人飛機進行航空拍攝，從而能夠從三維的角度勾繪出山體具體的地形走向。航空攝影技術在民用測繪工作中的應用受到很多限制，其主要利用的是航空攝影穩(wěn)定性強、準確度高的特點。航空攝影測量技術一般情況下應用在航天飛機和衛(wèi)星的研究中，航空攝影測量技術信息的精確度高、可以共享、實時性強特點。在測量中一般會使用優(yōu)質數(shù)碼相機進行攝影，航空攝影測量技術在測量工程的測量技術中具有優(yōu)越性（如圖2）。

圖2 航空攝影測量工程圖

3 空中三角測量

在使用航空數(shù)碼攝像器材進行地形測量的過程中，往往采用的不是專家和工作人員手動進行調整修改，而是采用攝影裝置的自動化的計算與生成。這里的空中三角測量，指的是經(jīng)過人工選擇連接點以完成相對定向、模型連接、航帶連接，連接點和像控點的點位需反復調試，使其滿足比例和精度的要求，在大比例尺下，很多細枝末節(jié)的地方都需要納入測繪系統(tǒng)之中，這用常規(guī)的巡回式拍攝方法顯然不能實現(xiàn)要求，空中三角測量的優(yōu)越性也體現(xiàn)在這個地方。

例如，在對如圖所示的復雜山體進行地形測繪時，所用到的比例是非常大的，圖示上方的懸梁主要起支撐作用，防止投影器脫落，而投影器的作用是對山體各個方向進行光照采集，根據(jù)反射過來的光線強度和色彩，運用大量數(shù)據(jù)分析，得到最可能的地形概況，最后再通過具體實地測繪，得到更加精確的結果。在空中三角測量的硬件實現(xiàn)上，要借助物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式的相關零件，構建一個具有聲光電傳感器的傳感裝置，以便與相應的軟件進行聯(lián)機，可以遠程操控無人機。測繪器的主要功能便是實現(xiàn)山地或其他地貌空間幾何模型的構建。空中三角測量需要非常高的飛行穩(wěn)定性，對飛機平衡要求極高，在一些狹隘的山口由于會有較大的風，這時采取三角測繪具有一定的風險性，因此這種航空攝影的方式需要視具體情況使用。信息修正工作也需要用到空中三角測量，在上述步驟之后，只是對地形圖的概況有了一定的了解，繪制出的立體圖缺少很多細節(jié)的補充，線條在大比例尺的地圖上過于平滑，無法確定具體小比例尺區(qū)域的地形情況，這時可以采用空中三角測量的空中攝影方式（如圖3），對所勘測繪制區(qū)域進行進一步的補充修正。

圖3 三角測量的空中攝影方式

4 現(xiàn)代航空攝影技術的優(yōu)勢

低空數(shù)碼航空攝影在各種地形測繪領域都具有很廣泛的應用，而與之對應的傳統(tǒng)測繪方式，在人力、物力以及工程進度方面則有所不及。傳統(tǒng)的航空攝影技術在對工程的具體監(jiān)管上也有一定的延時性，不能保證每一片區(qū)域的測量都按照計劃執(zhí)行。對外部環(huán)境依賴過大，導致測量體系無法完成流水一體化作業(yè)，會嚴重影響測繪進度，這也是為什么傳統(tǒng)的測繪要花費大量人力物力而且工程進度還很慢。而現(xiàn)代航空攝影具有原始航空攝影不具備的優(yōu)勢。

例如，現(xiàn)代航空攝影技術以全數(shù)字式的航空攝影測量理論為基礎，在工作效率和實時精確度方面有了卓越的提升效果，增加了地形測繪的可靠性。在進行實地測繪工作時，航空攝影所用到的數(shù)碼相機可以自動調節(jié)感光度ISO、光圈、快門等等，在陰雨天氣或者夜晚通過相關調整，也可以采集到比較清晰的測量影像。因此利用數(shù)字攝影測量技術進行地形工程的測繪，不僅可以減少工作時間，提高工作的整體效率，還可以減少依此測繪所用成本。目前現(xiàn)代航空亟待解決的首要問題是基建工作沒有做好，在很多偏遠山區(qū)的測繪工作沒有實現(xiàn)現(xiàn)代化，沒有設備方面的支持很難實現(xiàn)高效率的大比例尺地形測繪。迷你型飛機在云平臺的控制下，可以實現(xiàn)更加細膩的調位控制，有效避免了空中攝影可能導致的碰撞和平衡控制問題。測繪人員可以對具體不同的山脈采取不同的航空攝影形式，不再局限于單一的選擇，例如可以在需要精測的地區(qū)派遣工作人員前往實地勘測補正，而在比較危險高聳的山壁區(qū)域則全部采用無人機遠程對接，在測繪難度較大而常人難以攀登的地方則可以采用載人飛機航空拍攝的折衷方案。

5 總結

綜上所述，在現(xiàn)代航空攝影技術的加入下，大比例尺地形測繪工作發(fā)生了翻天覆地的變化，主要用于構建測繪地形概況，以及對相片等資料的控制，還可以實現(xiàn)空中三角測量，野外調繪及修補工作。相較常規(guī)的地形測繪工程，航空攝影技術的優(yōu)勢不言而喻，在內(nèi)業(yè)采編和修改時，采用JC4、CEOWAY等軟件進行整理操作，最后再根據(jù)實際情況用CAD軟件進行最后匯編。本文主要闡述了航空攝影在大比例尺地形測繪中的應用，旨在為復雜地域的地形測繪有所幫助。