基于傾斜攝影測量的三維數字測圖應用研究
——以仁壽縣珠嘉鎮1∶500地形圖測量為例

潘蘭蘭

（成都成房測繪有限責任公司，四川 成都 610074）

0.引言

在獲取高精度、大比例尺地形圖中[1]，作業中既滿足精度要求，又節省時間和成本，減小工作量[2]，是測繪人一直努力追求的方向[3]。當前，無人機技術的日趨成熟和傾斜攝影測量技術的大力發展[4]，為把野外實地場景轉入室內，給內外業工作轉換提供了空間，為實景三維模型的生產提供了極大地便利。

無人機傾斜攝影測量利用航空攝影大規模成圖的特點，運用從傾斜影像上批量提取和粘貼紋理的方式，能夠大大降低三維建模成本，且具有影像高精度、模型精細化、模型真實化的數據特點[5]。傾斜攝影測量獲取的影像數據，可以處理成DOM、DLG及DEM等不同格式的數據格式，并且數據能進行矢量化等操作，擴展了其應用的范圍，滿足不同領域的需要。通過運用配套的軟件，傾斜影像可對單張影像進行量測，可直接利用成果影像進行包括長度、高度、角度、坡度等空間信息，擴展了傾斜攝影技術在測繪及其他領域的應用。

目前已有學者研究了傾斜攝影測量原理及相關技術，提出了一種基于無人機獲得三維實景模型進行大比例尺地形圖的生產方法[5]，通過實例驗證及精度分析，在平坦區域可滿足大比例尺地形圖精度要求，適用于小面積、地物較復雜區域的大比例尺地形圖測繪生產，在實際生產中有一定的指導意義。

本文的創新點在于利用無人機傾斜攝影構建實景三維模型，進行立體測圖，探討內外業轉換的作業方法，并進行有效地結合。本文利用無人機傾斜攝像系統獲取影像數據，構建實景三維模型，并基于三維模型實現數字化測圖，不僅節約了人力成本，在技術和精度上都有大幅地提升，填補了此項目區域高精度地形圖的空白，本文的作業方案為內—外—內的操作流程，將主要工作在內業進行信息采集，后期通過外業尋圖及實地驗證后在內業進行完善。

通過前期研究及對比，本次作業我們采用了全新的技術路線，基于傾斜攝影測量的三維數字測圖，該方法能夠充分發揮三維模型的優勢，相當于把實地的東西移到了電腦上，在內業也可以去除屋檐等對精度帶來影響，可以準確判讀出房屋結構、層數，可讀取的信息更多。相較于傳統的全站儀測圖法及傳統航測成圖方法，無須大量的外業人員，能夠明顯地縮短工期及降低成本，同時成圖精度均勻，并且精度可控，可在一定程度上明顯提高精度。

1.研究區概況

珠嘉鎮位于四川省仁壽縣東北部，緊鄰縣城。全鎮屬淺丘地貌，被蓉遵高速公路、仁壽大道、仁簡路橫穿，交通區位優勢明顯。全鎮幅員面積37.6km2，轄6個行政村、1個社區。珠嘉鎮擁有“生態建設先進鄉鎮”“重點發展先進鄉鎮”等榮譽，境內屬于亞熱帶季風濕潤氣候。

此次數字測圖工作主要是完成公安標準地址信息的采集、編輯、1∶500比例尺地形圖測繪生產等工作。全鎮測圖面積約為1.2km2，并沒有集中連片，而且地形條件復雜，建筑多樣、密集，同時精度要求較高。項目作業工期較短，且屬于夏季，多雨水，下雨天不利于野外實測，運用傳統的全野外采集方法，無法滿足工期的要求。

目前數字地形圖的測繪方法仍以傳統的全站儀+RTK的模式為主，該種方法需要大量的外業人員，并且對外業人員的水平要求較高。近年來，因測繪市場的導向，熟練的傳統數字測圖人員少之又少，這導致了數字化測圖的成本一直居高不下。全站儀自動跟蹤測量模式，可以實現測站的無人操作，實現單人數字測圖，但目前這種儀器價格昂貴，僅適用于特定的應用場合，不適用于大面積的、廣泛的測圖作業。傳統的航測作業模式，較少采用立體采集，主要是針對平面采集，且平面的采集精度需要加強。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，它是通過高速激光掃描測量的方法，具有實時動態高效率、高密度、高精度，自動化等特性，可以快速、大量地采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。但目前，該方法的成本還較高，數據處理也比較復雜。

本文在建立仁壽縣珠嘉鎮大比例尺地形圖的實景三維模型時，采用無人機傾斜攝像系統獲取影像數據，構建實景三維模型，并基于三維模型實現數字化測圖，研究將三維立體采集與立體測圖進行完美結合，既提升了效率，節約了成本，又增加了數據的精準度，在實際生產中具有重要意義。

2.作業技術路線

本研究擬采用航測傾斜攝影測量+三維立體采集+外業補充調查為總體方案，通過無人機傾斜攝影獲取影像與立體模型，在內業進行實景三維模型，在室內進行三維立體采集與立體測圖，后期通過外業尋圖及實地驗證，并對影像更新后的實地變化進行補測補調，最后在內業對測量成果進行完善，總的技術路線（如圖1所示）：

圖1 技術路線圖

3.三維數字測圖

3.1 影像數據獲取

無人機由于具有便攜、快速、靈活的特點，是傾斜攝影較好的飛行平臺，通過在無人機飛行平臺上搭載含有5個相機鏡頭的數碼相機，其中，有一個垂直鏡頭，用于獲取底部區域的正射影像，其余4個鏡頭分別獲取前后左右方向的傾斜影像。

本研究分別采用迪奧普無人機系統和精靈4pro+飛馬D1000控制系統獲取測區的頂視數據及側視數據。其中，利用精靈4pro自帶的攝影系統（如圖2所示）能快速獲取傾斜影像，該系統相比較于其他航空傾斜攝影系統具有成本低，飛行可靠性高，操作簡單等優勢，同時其精度較高，可以滿足三維建模高精度、高分辨率數據獲取的要求。

圖2 精靈4pro無人機傾斜攝影系統

航測影像獲取時，獲取數據的精度（航攝比例尺及成圖比例尺的設定、地面分辨率等）及質量，像控點布設的合理性，航線的布設等都是影響最終成果質量的制約因素，也是三維測圖前期的數據基礎，每一步都應進行質量把控，并在空三加密時進行驗證，無法達到精度要求則需補飛進行加密，以滿足后續的采集精度（1∶500大比例尺）要求。

3.2 三維模型構建

運用smart 3D軟件，對傾斜影像數據進行空三加密，生產實景三維模型（如圖3所示）。以所見即所得的方式把所有地形、地物真實地反映在三維模型上。三維建模的具體流程：利用建模軟件對照片進行建模，將照片導入到建模軟件中，通過計算機圖形計算，結合POS信息空三處理，生成點云，點云構成格網，格網結合照片生成賦有紋理的三維模型。

圖3 smart 3D進行三維建模

本研究中三維建模充分發揮了工作站的優勢，通過局域網聯機，使用建模軟件并行運算，大大提高了數據生產效率。經測試，在使用4臺工作站進行并行運算時，0.4km2的三維模型全生產周期約為4h，其中，自由網匹配與空三加密約2h，三維模型構建約為2h。一個鄉鎮約1.2km2的數據，3500余張影像數據，自由網匹配與空三加密約4h，三維模型構建約為6h。相對于單機全流程大概需要48h的時間而言，多機并行運算體現了高效的建模效率。

3.3 三維立體采集

本研究的生產基本路線確定采用攝影測量的方式進行。為滿足成圖精度要求，航測技術路線確定為在三維模型上采集建筑物及附屬設施，在立體模型上采集等高線、高壓線、電力線等其他要素。內業對遮擋不便采集或無法準確定位的地方進行標注，需要外業調繪補測，進一步提升成圖精度。

在三維模型上采集信息，首先要保證是三維建模的精度需要在0.05m精度范圍內，這對飛行和建模有很高的要求，其次是人員在信息采集時的專業水平。利用SV360軟件在三維模型上進行立體采集（如圖4所示），在三維模型上需要采集的要素包含：建成房屋（包括房檐）、棚房、圍墻、柵欄、門頂、雨罩、陽臺、支柱、廊房、通廊、飄樓、通道、臺階等構筑物。其中，很多要素是在常規立體測圖中是不能辨識或不可視的。

圖4 SV360進行立體采集

3.4 立體測圖

采用立體測圖對房屋以外的其他要素進行測量。相對于立體測圖，在三維模型中采集線狀地物的效率要低很多，尤其是對樹木遮擋下的線狀的類要素采集是很困難的。所以，為了保證測圖的精度和效率，我們采用三維模型采集與立體采集相結合的方式，且二者的精度可以相互驗證，采集的要素可以相互補充，經實地驗證這是一種切實可行的生產手段。

3.5 外業尋圖

本文的作業方案為內—外—內的操作流程，即內業采集完成后，需要通過外業尋圖及實地驗證，并對影像更新后的實地變化進行補測補調，并在內業對測量成果進行更新，最后在內業進行成果完善，進一步優化測繪成果。

3.6 數據建庫

在完成了珠嘉鎮內業形圖生產后，最終利用iData數據工廠將地形圖進行地物構面、拓撲關系檢查與處理、屬性一致性檢查與處理，最終建立標準數據庫（如圖5所示），方便數據管理、數據更新及相關研究的綜合應用。

圖5 朱嘉鎮成果地形圖

4.成果質量檢查

為確定外業調繪、補測需要完成的準確工作內容，以及對三維模型測圖質量情況檢查，進行實地調查與內業成圖精度對比，通過傳統測量方法，利用RTK、全站儀、皮尺等儀器采集建筑物拐點坐標、栓距、地面高程等作為精度檢查的依據，并巡視檢查了地形圖與實際的符合性。

經過實地檢查與數據對比，從表1、表2、表3中可以看出：當三維模型可視情況良好的情況下，平面位置精度在5cm-10cm，邊長誤差基本在5cm以內，高程誤差在10cm左右。精度完全能滿足1∶500比例尺地形圖測繪的要求。在高程檢查中，均選擇三維可視情況好的特征點進行現場高程采集檢查，通過檢查表發現，差值均在±0.1m左右，在限差范圍內，相對于平面精度，高程精度較高，今后可考慮該高程誤差屬于此種作業方法的固定誤差。

表1 邊長檢查記錄表

表2 平面坐標檢查記錄表

表3 高程精度檢查記錄表

如發現平面或者高程出現一點可視或者不可視的情況，精度可能出現稍差的情況，可考慮在外業尋圖及實地驗證時，對這種特定位置進行補測補調，以確保成圖精度。但實地這些位置往往是不好采集的（如，檐廊、廊房角等位置，外業采集并不好操作），這也充分體現了立體測圖的優勢。

5.結束語

本次作業我們采用了全新的技術路線，基于傾斜攝影測量的三維數字測圖成果無論是平面還是高程都能滿足相關規范的要求。對于地形圖精度有更高要求的應用領域，如，施工、房產測繪等，本次研究的成果精度還是不能完全滿足。但在平面上可以考慮通過獲取更高分辨率的航攝影像去構建精細的三維模型來提升精度，高程精度可以考慮通過三維激光掃描的數據來補充提升。

本次作業方案充分利用在內業采集三維立體信息，減少了對天氣的依賴，結合外業尋圖及補測補調，使三維立體采集與立體測圖進行完美結合，既提升了效率，又增加了數據的精準度。目前很多公司也嘗試在三維數字測圖、河湖管理范圍劃定等項目中的應用，這也必將是今后地理信息產業的一個發展方向。在節約時間和成本的同時，不斷提升成果精度，也是測繪人不斷追尋的方向。