基于实景三维模型地形图要素提取方法及应用检验

罗 浩，冯 艺，邵茂亮，严晓玲

(1.雅砻江流域水电开发有限公司， 四川 成都 610051; 2.成都远石信息技术有限公司， 四川 成都 620500)

1 概 述

随着无人机技术的高速发展，无人机航测已成为生产大比例尺地形图的主要手段，具有成本低、效率高、机动性好等优点，在灾后应急测绘、小范围内的大比例尺地形图测绘等工作中发挥了重大作用。

倾斜摄影技术的出现，为大比例尺测图提供了新的解决方案，摆脱了以往垂直摄影的局限，在同一飞行平台上同时搭载多个不同角度的传感器，从多个角度(前、后、左、右、下)采集影像。倾斜摄影与垂直摄影相结合，同时得到地面地物的顶部和侧面的纹理信息，获取的实景三维模型成果更接近真实场景，使用基于模型1 ∶1 000地形图要素的矢量绘图平台，有效避免了传统作业方式强度大、效率低、周期长、重复测量等弊端，提升了生产效率。

2 倾斜摄影生产实景三维模型作业方案

2.1 设备及软件

无人机倾斜影像获取利用多旋翼无人机搭载五拼倾斜相机进行航摄，由5个SONY LICE-5100相机组装而成，每个相机像幅大小为6 000×4 000像素，配备旋翼地面站系统。实景三维模型制作采用Bently ContextCapture软件进行空中三角测量及全自动三维建模。地形图采用EPS 2012地理信息工作站进行地形图要素提取及图形编辑。图1是大疆M-600型无人机，图2 是航摄传感器。

图1 大疆M-600型无人机

图2 航摄传感器

2.2 作业流程

根据无人机倾斜摄影测量的技术特点及相关要求制定作业流程，主要包括：项目准备、航空摄影、像片控制测量、实景三维建模、数据采集、编辑、成果提交等内容，生产流程如图3所示。

图3 作业流程

3 案例分析

3.1 测区概况

测区位于四川省凉山藏族自治州木里藏族自治县芽祖乡，地处雅砻江流域，测区内最高海拔2 290 m，最低海拔1 850 m，总面积约0.6 km2，测区内植被覆盖类型交错复杂，地势陡峭。本次测图作为倾斜摄影1 ∶1 000地形图生产应用对象，全要素采集房屋、道路、农田、坡坎等地形图基本要素。

3.2 实施步骤

3.2.1 无人机航空摄影及像控测量

3.2.2 自动三维建模

倾斜摄影无需相机检校及影像畸变纠正，通过自动建模软件自动完成影像配准，人工像控刺点，自动空三平差，空三解算完成后，利用空三成果自动三维建模及映射纹理，获取实景三维模型后可直接用于数据采集(见图4～7)。

表1 无人机倾斜摄影信息

倾斜摄影实景三维模型影像质量良好，分辨率高、纹理清晰、无大面积噪声、拉花，依据模型可多角度、多尺度浏览，并进行距离、面积、体积等测量。

3.2.3 地形图要素采集

以EPS 2012地理信息绘图软件为地形图要素采集平台，利用倾斜摄影模型进行高精度大比例尺地形数据的矢量采集工作，无需佩戴立体眼镜，根据三维模型直接定位地物要素的三维信息。软件内置地类地物属性模块实现要素分类、编码分类，实现二三维显示一体化、符号一体化、编辑一体化，最后经整理编辑形成1 ∶1 000数字地形图，如图8、9所示。

图4空三匹配高密度点云

图5测区三维模型

图6测区内建筑

图7道路、植被及山体

图8 房屋、道路轮廓提取

图9 地面高程点提取

3.3 精度分析

3.3.1 测量精度要求

根据《低空数字航空摄影测量内业规范》(CH/Z 3003-2010)，1 ∶1 000数字线划图的地物点对附近野外控制点的平面位置中，误差不应大于1.2 m(平地、丘陵)、1.6 m(山地、高山地)；高程注记点的高程中误差不应大于1.0 m(平地、丘陵)、2.0 m(山地、高山地)。

2) 当不确定加箱或减箱事件发生时见图2b)，进入下一阶段t=t+1，更新集装箱序列和船舶贝内箱位序列，减箱事件对应的集装箱c4和箱位p6从序列中被删除，加箱事件对应的集装箱c7被添加到集装箱序列。

3.3.2 成果精度检测

项目成果采用全野外数字化实测检查点与倾斜摄影内业提取成图成果对比的方法进行精度检测，所有检查点均使用油漆做标识或采用明显地物点，成果精度检查内容包括：平面精度和高程精度，精度分析如表2所示。

表2 精度分析

由以上可知，基于实景三位模型提取的1 ∶1 000地形图测绘精度明显优于规范要求。

3.3.3 误差原因分析

(1)原始像片分辨率受限引起的航摄误差。由于无人机倾斜摄影受地理条件局限、安全飞行高度影像以及设备精度等综合因素制约，可能造成原始像片分辨率不足。因此，通过优化航飞参数(降低航高、使用长焦镜头等)，提高像片地面分辨率，进而提高数据成果精度。

(2)自动空三加密匹配引起的模型误差。数据影像进行空三匹配时，因倾斜影像的航摄比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等因素导致获取的数据中含有较多的粗差，影响到后续空三解算的精度。高精度匹配成为倾斜摄影测量中的关键性技术，目前可通过人工干预方式将空三成果优化到最佳。

(3)人工采集操作产生的误差。人工采集产生的误差是基于倾斜摄影实景三维模型提取地形要素的重要误差来源，某一地物在不同角度时会因视差造成采集要素的不准确，需要作业员根据模型变换不同角度进行调整。提高作业员操作经验和熟练程度，可提高采集成果的精度。

4 应用成果

本次生产应用案例证明，应用这种三维采集新方法，可基本满足1 ∶1 000数字线画地形图测图的精度要求，能有效提升测绘生产效率，使地形图精度和工期得到保障。同时也反映出使用三维模型进行数据采集，与传统外业实测地形图相比，大大减少了外业工作量，节约了许多外业成本，且对作业员要求相对较低；与常规摄影测量立体测图相比较存在以下优势。

4.1 优势分析

(1)降低了安全风险。以往需进行地形测量的部位，或山高、路远、坡陡或有毒蛇出没，大大增加了作业人员的安全风险。采用无人机航拍代替传统地形测量方法后，作业人员可以预先设计好飞行路线，就近找到安全的操作平台进行操作，降低了测量人员测量过程中的安全风险。

(2) 提高精度。进行地形测量现场工作，很难对所有的点全面覆盖，一般采用特征点进行地形测量，遇到大树或建筑物遮挡，还不便于棱镜架设。采用无人机航拍三维地形提取的地形图，通过除噪方式消除树木或建筑物遮挡影响，并匹配高密度点云数据，提高了测量精度。

(3) 其他优点。①空三加密人工干预较少。②在三维模型上测图，不需要立体显示器、立体眼镜及手轮脚盘等立体采集设备，从而降低了成本。③可采集到房屋主体结构，无需房檐改正；各类坡坎易于分辨，裸露地表可精确采集；房屋层数可内业识别并标注。

4.2 存在的难点

基于无人机倾斜摄影模型提取地形要素为大比例尺地形图测绘提供了一种新的方法，同时也存在很多难点。

(1)对于电杆、路牌、独立树等杆状地物识别度较低。

(2)由于高分辨率倾斜影像数据量大，地表植被覆盖区域及建筑物复杂密集等区域数据提取困难，加大内业处理工作量。

5 结论与展望

由于无人机的成本及可控性、安全性等各项指标越来越完善，无人机应用将趋于普及状态，随着航摄影像采集方案的优化以及倾斜摄影技术的不断进步，基于实景三维模型的大比例尺测图将具有更加广阔的应用前景。

(1)可在电站蓄水发电前，对整个库区及周边进行全方位航拍，获取DEM信息，并提取1 ∶1 000地形图，可获取变形库岸原始地形资料，同时可以复核库容参数，提高工作效率。

(2)无人机地形图可提取剖面图，用于不稳定库岸及建筑物边坡的变形监测。