無人機傾斜攝影測量在帶狀地形圖測繪的應(yīng)用分析

李傳鋒 丁志廣 梁新權(quán)

江門市勘測院有限公司 廣東 江門 529000

引言

傳統(tǒng)的大比例帶狀地形圖測繪的主要方法有全站儀測量、GPS RTK測量以及傳統(tǒng)的航空攝影測量等。全站儀及GPS RTK數(shù)字測圖需要投入較多人力、物力，在地形復(fù)雜、植被茂密、建筑密集地區(qū)難以施測，且測量周期長，進而導(dǎo)致工程效率低、成本高。傳統(tǒng)航空攝影測量雖然技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但對天氣和機場條件的依賴性大、成本較高、攝影周期較長。[1]隨著城市的更新發(fā)展速度的加快，采用傳統(tǒng)的全野外和航測法進行大比例尺地形圖更新與修測需要投入大量的人力、物力，成本高，作業(yè)周期長，更新效率低，已很難適應(yīng)城市快速變化對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新的需求。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過在同一無人飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集地面影像，獲取地面物體更完整準確的正片和斜片信息。無人機傾斜攝影獲取的傾斜影像經(jīng)過影像加工處理，通過專用測繪軟件進行幾何校正、連接點匹配、構(gòu)建自由網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)平差等空中三角測量處理流程，可生成超高密度點云，通過高密度點云生成三角網(wǎng)，構(gòu)建白模，自動映射紋理，得到傾斜攝影三維模型。[2]

本文通過在帶狀地形圖測繪項目中引入無人機傾斜攝影技術(shù)，實現(xiàn)了快速高效制圖，提高了作業(yè)的效率同時保證了成果的質(zhì)量。

1 項目概況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取平臺

本工程項目位于江門大道北鶴山連接線處，全長約3.8公里，沿途地形主要為快速路、高架橋以及山地、農(nóng)田以及部分的居民地(見圖1)。由于測區(qū)范圍內(nèi)的城市快速路已建成通車，如采用傳統(tǒng)的全站儀聯(lián)合GPS RTK進行全野外數(shù)字化測圖，外業(yè)的施測難度大，同時也十分危險，不利于安全生產(chǎn)。本項目采用無人機進行大部分外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，將無人機傾斜攝影測量技術(shù)與傳統(tǒng)的數(shù)字測圖技術(shù)相融合，構(gòu)建地空協(xié)同觀測的地形圖測繪作業(yè)模式，提高生產(chǎn)的效率同時保證作業(yè)的安全[5]。

圖1 測區(qū)范圍

2 無人機傾斜攝影測量與傳統(tǒng)數(shù)字測圖技術(shù)融合的作業(yè)流程

2.1 航線的設(shè)計

根據(jù)無人機的作業(yè)能力和路線走向進行航線設(shè)計，根據(jù)劃定測區(qū)，本次作業(yè)共設(shè)計飛行3個架次，每個架次根據(jù)測區(qū)寬度設(shè)計6條航線。在每個架次飛完后及時檢查影像拍攝質(zhì)量。本項目航線設(shè)計如圖3所示:

圖2 無人機數(shù)據(jù)獲取平臺

圖3 無人機航線示意圖

2.2 像控點布設(shè)及測量

本項目像控點位置主要選在影像清晰的水泥、瀝青路面或橋面上，沿測區(qū)走向垂直方向成對均勻布設(shè)了6個像控點，編號為:XK001～XK006。同時選取了部分地物的特征點作為像控點的檢查點，利用GPS RTK分別進行像控點及地物特征點的坐標數(shù)據(jù)采集。

2.3 無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)本項目作業(yè)區(qū)域的范圍、航攝分辨率要求、相機參數(shù)確定飛行比例尺、飛行高度、飛行重疊率、攝影基線等參數(shù)。本項目使用國產(chǎn)無人機平臺搭載穩(wěn)定性較好的5鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)進行傾斜航空攝影，航攝具體參數(shù)如表1所示。

表1 無人機航攝系統(tǒng)及航攝參數(shù)

2.4 利用全站儀及GPS RTK進行外業(yè)數(shù)據(jù)的補測

由于本項目工程有多處高架橋墩以及快速路下的涵洞，同時測區(qū)沿線有多處的山地植被及樹木比較茂密，對于無人機數(shù)據(jù)采集的精度有一定的影響。故對于測區(qū)范圍內(nèi)，無人機傾斜攝影無法準確采集的數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)的數(shù)字測圖方法進行外業(yè)的數(shù)據(jù)的補充采集。

2.5 傾斜攝影測量內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

本項目首先采用無人機管家對原始影像進行畸變矯正和POS數(shù)據(jù)高精度融合解算，然后采用專業(yè)的內(nèi)業(yè)處理軟件Context Capture Center對獲取傾斜影像進行三維建模處理，通過GPS定位系統(tǒng)和姿態(tài)定位系統(tǒng)獲取的位置信息進行影像的坐標定位，添加像控點來提高數(shù)據(jù)的精度。處理流程包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、點云建模3大步驟。最終生成三維模型文件(格式為:*.osgb)，同時生成數(shù)字正射影像圖(DOM)，再利用CASS3D軟件加載實景三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二三維聯(lián)動一體化地形測繪。

2.6 帶狀地形圖二、三維聯(lián)動一體化地形測繪數(shù)據(jù)處理流程

2.6.1 帶狀地形圖平面數(shù)據(jù)的采集 南方CASS軟件作為一款內(nèi)外業(yè)一體化測圖系統(tǒng)，其主要包括數(shù)據(jù)處理、地形地物編輯、地籍處理、土地利用、工程測量及質(zhì)檢模塊等功能。CASS3D測圖系統(tǒng)是在原有CASS測圖軟件基礎(chǔ)上，以插件擴展的形式，重點增加了三維裸眼測圖、高清影像、三維模型加載以及二三維同步功能。[3]

通過CASS3D加載測區(qū)的三維模型，點擊“同步矢量”即可將數(shù)字線劃圖(DLG)與三維模型同步顯示，同時通過CASS3D中“插入影像”的功能可將測區(qū)的正射影像與地形圖數(shù)據(jù)疊加，即可進行地形圖平面數(shù)據(jù)的采集，對于局部不清晰的地方，可通過旋轉(zhuǎn)三維模型查看地物的相關(guān)情況，通過三維模型窗口繪制的地形要素，可以同步保存顯示在二維窗口的數(shù)字線劃圖中，真正實現(xiàn)二三維聯(lián)動制圖。

全站儀及GPS RTK的外業(yè)采集數(shù)據(jù)可同步展繪到地形圖上，同時結(jié)合正射影像及三維模型，可實現(xiàn)數(shù)字線劃圖(DLG)的快速制圖。

圖4 二三維聯(lián)動制圖

2.6.2 帶狀地形圖高程數(shù)據(jù)的采集 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后生成的三維模型具有高程數(shù)據(jù)，對于無遮擋的地物可以直接在三維模型上點選位置，即可生成對應(yīng)的高程點。同時對于山地，可以通過三維模型加密高程點，用于構(gòu)建三角網(wǎng)，生成等高線。

2.6.3 地形圖的整飾及成圖編輯 將獲取的地形地貌要素進行綜合、整飾等處理，如對道路路名、道路材質(zhì)的注記、居民地名稱注記、測區(qū)山地等高線的修剪與高程注記、刪除重復(fù)實體等，最終得到滿足要求的地形圖成果。

3 基于南方CASS3D成圖的帶狀地形圖精度分析

地形圖的成果精度參照《1:500 1:1000 1:2000外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》(GBT 14912－2017)和《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1:500 1:1000 1:2000數(shù)字線劃圖》(CH/T 9008.1－2010)的要求，1:500平面位置精度為0.3m(城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地、丘陵地，坡度＜6。)，高程注記點高程中誤差為0.4m(丘陵地，2°≤坡度＜6°)。

為了驗證CASS3D成圖方案的精度，通過三維模型提取了30個地形特征點和有代表性的高程點，并通過傳統(tǒng)的數(shù)字測圖方法進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集進行對比計算得到檢核點的平面中誤差為0.074m(詳見表1)，高程中誤差為0.11m(詳見表2)，完全滿足限差要求。

表2 平面精度對比分析

表3 高程注記精度對比分析

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，基于CASS3D成圖的無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)模型，在成像清晰的快速路及無遮擋的平地平面和高程精度相對較高，在植被及樹木比較茂密的山地(采集無遮擋處)，高程精度相較差，高程點檢核數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一個高程注記的粗差，原因是該出植被較為茂密，無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)得高程數(shù)據(jù)為植被上的數(shù)據(jù)，并不是實地真實的高程值。總體來說，本次通過無人機傾斜攝影測量獲取的帶狀地形圖數(shù)據(jù)符合規(guī)范的要求，成果質(zhì)量是真實可靠的。

4 結(jié)束語

本文通過具體的實踐項目分析表明，將無人機傾斜攝影測量與傳統(tǒng)的數(shù)字測圖技術(shù)有機融合，大大提高了帶狀地形圖的作業(yè)效率，地空協(xié)同的作業(yè)方法構(gòu)建了一種新型地形圖更新模式，有效改善了傳統(tǒng)地形圖測繪人工投入大、作業(yè)周期長、更新效率低等弊端。無人機傾斜攝影測量通過建立實景三維模型和正射影像數(shù)據(jù)將地形圖的數(shù)據(jù)采集通過數(shù)據(jù)處理軟件來完成。項目采用CASS3D軟件成功完成了帶狀地形圖的數(shù)據(jù)采集及地形圖成圖，同時該成果的精度符合生產(chǎn)的要求，表明這種地空一體化的地形圖更新模式是有效的。往后數(shù)據(jù)采集技術(shù)將進一步發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理軟件將更成熟完善，降低人工處理數(shù)據(jù)的工作量，城市基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)的更新必走向更加高效、智能化的道路。