基于实景三维模型的城市1∶500地形图测绘

张福存，薛晋宇，贾国焕，陈兴芳，贾国龙，王晓东

（1.西宁市测绘院，青海 西宁 810001）

近年来，基于倾斜摄影技术的实景三维建模技术广泛应用，改变了以往传统的人工建模方式，可以快速、高效地完成大面积建模工作。实景三维模型成果也因其真实性、可量测性、易于更新等特点在城市规划与建设、管理与治理工作中得到广泛应用。在测绘领域，基于实景三维模型进行1∶500 地形图测绘也是近年来测绘产品生产中衍生出来的重要应用之一，并且已经在村庄等建筑相对低矮、遮挡相对较少的地形环境下经验证有较好的精度[1-4]，而在建模难度较大的城市高层建筑区内的应用几乎没有。因此，本文选取高层建筑较多的西宁市海湖新区作为实验区开展倾斜航拍，并建设该区域的实景三维模型，然后在实验区内选取两处高层建筑区作为城市地形样本和一处城郊低矮房屋区作为村庄地形样本，基于实景三维模型开展1∶500 地形图测绘，然后评定两类地形条件下的地形图精度，验证基于实景三维模型开展城市1∶500 地形图测绘工作的可行性。

1 准备工作

1.1 软硬件设备

航拍设备采用科卫泰KWT-X6L 六旋翼无人机，倾斜摄影航摄仪采用上海航遥ARC524，其搭载五台全画幅相机，其中四台为45°倾角倾斜航拍，一台为垂直航拍，单镜头有效像素为2 400 万，倾斜镜头焦距35 mm，垂直镜头焦距20 mm。实景三维模型生产采用Bentley Context Capture 软件，地形图要素采集及图形编绘采用北京山维科技EPS2016 软件。

1.2 技术路线

在技术路线上，首先开展无人机航拍和像控点实测工作，然后利用航拍数据生产实景三维模型，之后基于实景三维模型进行1∶500 比例尺地形图编绘，最后对生产的地形图进行精度评定（图1）。

图1 技术路线图

2 生产案例

2.1 实验区概况

以西宁市海湖新区为建模实验区开展航拍工作，该实验区面积约20.0 km2，地势平坦，道路纵横，建筑以高楼大厦为主，边缘区域为城乡结合部，以低矮房屋为主。地形图测绘选取该实验区内的两处高层建筑区作为城市地形样本和一处低矮房屋区作为村庄地形样本，两处高层建筑区均为规整的高层住宅区，一处低矮房屋区多为两层或三层的连片房屋，有少量单层房屋。建模实验区及测图区范围如图2 所示。

图2 实验区及测图区范围

2.2 生产流程

2.2.1 航拍设计及数据获取

为了满足1∶500 地形图要素采集精度，航拍时像片分辨率需优于0.05 m，结合实验区地形概况、高层建筑楼高情况、现有硬件设备条件以及航拍时的无人机安全考虑，本实验中设计相对航高为240 m，航向和旁向重叠率均为80%。

航拍工作按照航拍设计实施，本实验航拍中5 个镜头共获取了约65 000 张像片。对于获取的航拍像片及POS 数据，依次进行有效像片数确定、POS 数据编辑、各镜头像片名更改，确保POS 信息与5 个镜头像片数量及信息一一对应，便于全自动三维模型生产。

对于像控点数据，航拍之前在实验区内选取典型的地面特征点如停车场内停车位标线拐角、篮球场硬化地表拐角、房屋外角顶部等在后续航拍像片上易于定位、且无遮挡的点位，并进行现场实测获取坐标信息，选取的点位应覆盖实验区并分布均匀，注重在精度相对薄弱的实验区四周区域的点位选取的密度和分布[5]，在不易于选取地面特征点的区域可进行标靶布设。借鉴无人机航测中控制点布设经验[5-6]，本项目共布设了172 个像控点。

2.2.2 实景三维模型生产

实景三维建模基本上全自动实现，其流程首先是在建模软件中导入5 个镜头的像片数据和POS 数据，由软件进行连接点自动匹配，对获取的特征点采用多像密集匹配技术自动匹配同名点，恢复像片之间的相对位置关系，完成相对空三解算，然后加入控制点信息，开展5 镜头像片上的同步刺点工作，进行绝对空三计算。在空三精度达到所满足的精度，并经查看模型空三关系无明显错误后，进行三维模型全自动生产。根据软件生成的基于真实影像的高密度点云数据，依次进行不规则三角网构建、白模生产和模型纹理映射，最终生成基于真实影像纹理的实景三维模型。

本实验区实景三维模型如图3 所示，模型质量良好、分辨率高、纹理清晰、色彩均匀，无大面积空洞、悬浮现象，能够反映实验区地形实景，依据模型可多角度、多尺度浏览和量测。

图3 实验区实景三维模型

2.2.3 地形图编绘

地形要素采集采用EPS2016 地理信息工作站，该平台自带三维测图模块，具备实景三维模型数据和地形图分屏显示功能，能够同步联动三维模型、地形要素和遥感影像数据，方便点、线、面要素采集及编辑，结合该平台已有的地类地物属性编辑功能实现地形要素编码分类，实现1∶500 地形图要素图属一体化采集和交互式测绘。

在具体作业中，按照“先整体后局部”、“先轮廓后细部”作业原则，多角度识别三维要素，应用软件“模型切割去遮挡”、“建筑外轮廓自动提取”、“以面代点画房屋”等功能，分片地毯式开展点、线、面地物采集，尽量减少外业调绘工作量。测图区实景三维模型及地形图情况如图4～6 所示。

图4 高层建筑区实景三维模型与地形图（一）

图5 高层建筑区实景三维模型与地形图（二）

图6 低矮房屋区实景三维模型与地形图

3 精度评定

3.1 平面精度评定

3.1.1 低矮房屋区地形图平面精度

低矮房屋区内选取了35 个点位并实测其平面坐标作为检查点，点位包括房角、台阶、门墩等多类地形要素。该区域部分实测点位和地形图量测点坐标信息如表1 所示，分析35 个点位，最大的点位误差为0.115 m，最小点位误差为0.025 m，该区域平面中误差为0.082 m。依据《城市测量规范》（CJJ/T 8-2011）中“平地地物点相对于邻近平面控制点的点位中误差不超过图上0.5 mm”，即在1∶500 地形图为0.25 m 的平面精度要求，基于实景三维模型的低矮房屋区地形图平面精度很好，最大误差不足规范限定误差的一半，中误差不足规范限定误差1/3。

3.1.2 高层建筑区地形图平面精度

两处高层建筑区内选取了117 个点位并实测其平面坐标作为检查点，点位包括楼角、台阶、道路、沟渠、井篦子等地形要素。实测检查点与地形图量测点部分信息如表2 所示，所有点位及对应平面误差分布如图7 所示，平面中误差为0.115 m，其中最大点位误差为0.239 m，最小点位误差为0.007 m。满足《城市测量规范》（CJJ/T 8-2011）中1∶500 地形图0.25 m 的中误差限差。其中平面中误差不足规范限定误差的一半，说明基于实景三维模型的高程建筑区地形图精度较好。

分析误差较大点位的分布情况，发现这些点多为高层建筑楼角，再比较高层建筑区和低矮房屋区的点位平面位置精度，高层建筑区平面中误差为0.115 m，较之低矮房屋区的0.082 m 要大，说明高层建筑区地形图平面精度要略低于低矮房屋区地形图平面精度。

3.2 高程精度评定

对两类地形图分别进行高程精度评定，利用44 个高层建筑区的高程点求算的高程中误差为0.138 m，利用23 个低矮房屋区的高程点求算的高程中误差为0.129 m。依据《城市测量规范》（CJJ/T 8-2011）规定，城市建筑区内1∶500 地形图的高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差不应大于0.15 m。因此，本实验区两类地形图的高程精度均满足规范要求，但城市地形图高程精度要略低于村庄地形图的高程精度。同时，两类地形图的高程中误差均超过了0.12 m，说明基于实景三维模型采集地形图要素后的高程精度虽满足规范要求，但整体精度不高。

表1 低矮房屋区部分实测检查点与地形图量测点平面坐标

表2 高层建筑区部分实测检查点与地形图量测点平面坐标

图7 高层建筑区点位及对应平面误差分布图

4 误差分析

4.1 实景三维模型误差

实景三维模型误差为地形图精度的主要误差源，其主要来源于：一是受城市建筑楼层高度影响、硬件设备条件等限制，航拍时考虑到无人机的安全，本实验中航拍高度为离地面240 m，获取的垂直镜头像片地面分辨率约为0.047 m，略优于1∶500 比例尺所需的0.05 m 分辨率要求。因此，要提高实景三维模型精度，在确保航拍安全同时兼顾航拍效率的情况下，必须提高航摄仪性能，如更换长焦镜头；二是在实景三维模型制作过程中，因5 个镜头像片中的拍摄物在航拍时的比例尺不一致、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，严重影响后续影像空间精度[7]，也影响了全自动实景三维模型的精度，对此可通过人工干预方式提高空三成果精度[8]。

4.2 地形要素采集误差

地形要素采集误差是作业员根据实景三维模型作业时产生的误差，这与作业员对地物要素的认知、外业经验、内业作业熟练度有关，尤其是在模型不够精细的地物上，采集时模型上1 个像元的误差，就会造成实地距离约3～5 cm 的误差；另一方面，当某一地物不在同一高程面上时，会因为视差造成信息采集不准确，此时作业员应不断调整模型尺度、变换模型角度，确保采集位置的准确性。

5 结论与讨论

本文选取实验区进行实景三维模型生产和1∶500比例尺地形图测绘，研究了利用旋翼无人机结合五镜头倾斜相机航拍生产实景三维模型并基于模型生产1∶500 比例尺地形图的生产流程及关键技术，然后对生产的地形图进行了精度评定和误差分析。结果表明就图形精度而言，两类地形条件下的图形平面精度和高程精度均满足规范要求，但比较高楼大厦林立的城市地形图和低矮房屋为主的村庄地形图，前者平面精度和高程精度均略低于后者。基于实景三维模型的1∶500 地形图测绘可在城市地区开展，并且较之传统的全站仪或GPS RTK 数字测图具有更快的生产速度和更高的生产效率。

根据本文实验，实景三维模型生产和基于模型开展城市1∶500 地形图测绘仍有一定局限性需要解决，主要表现在以下方面：

1）因无人机电池技术、续航技术及荷载限制，目前单架次作业一般在20～60 min，这成为提升航拍作业效率的制约条件，在倾斜摄影技术需要较大重叠度的前提下，提高无人机单架次作业时间将大幅提高倾斜技术的推广应用，也会促进实景三维模型的应用力度。另外，在城市高楼林立条件的限制下，若想提高模型精度，须配置合适焦距的镜头，确保航拍获取的像片具有成图所需的分辨率。根据本文的实验经验，生产城市1∶500 地形图所用的实景三维模型应具有优于0.04 m 的地面分辨率。

2）在城市内，受高楼、树木等地物的遮挡，无人机空中航拍时往往存在一些拍摄死角，给地面及近地面地物的三维建模带来了很大的难度，模型有可能存在凸凹不齐、扭曲变形等现象，尤其是路灯、电杆等截面较小的地物，容易产生模型缺失，对利用模型采集地形全要素带来了一定的困难，对此需通过外业调绘等方式加以补充处理[9]。

基于实景三维的城市1∶500 地形图测绘可在室内完成，大大减少了外业工作量，地形 图精度可靠，工期有保障，成图效率高，特别适用于小区域地形图的快速测绘[10]。随着倾斜摄影和实景三维建模技术的进步及地形要素采集方法的改进，基于实景三维模型的城市1∶500 地形图测绘将会更加普及，更具有应用前景。