基于倾斜摄影测量技术的1∶5 0 0比例尺地形图更新模式探讨

宋增巡

（华北地质勘查局第四地质大队，河北 秦皇岛 066000）

0.引言

基础地理信息数据是城市乃至国家经济建设和社会发展的基础性、战略性资源，而地理信息数据的现实性是衡量其使用价值的标准之一。“经济发展测绘先行”这一口号也充分证明了基础测绘在城市经济发展中起到了至关重要的作用。近几年随着各大城市城镇化率加快推进，城市基础设施建设与日俱增，城市扩展速度随之日益加快，城市变化日新月异。这就给地形图保持现实性带来了困难，直接导致缩短地形图更新周期的必然结果；同时加快城市地形图更新周期也是数字城市与智慧城市建设必须面对的一个问题，但是常规外业测绘已经不能满足大比例尺地形图更新对速度与质量的双要求。近几年来无人机发展速度迅速，其应用领域也深入到各行各业，如，大疆无人机应用于土方计算，利用无人机倾斜摄影测量技术可实现间隔高程采集，得到的土方量与传统RTK测得的土方量结果吻合较好[1]；无人机三维测图获取建筑物立面，实现立面高精度展示，为城市规划提供参考数据[2]；无人机技术实现高压电线巡视，提高了工作效率，降低了人工巡检的危险性[3]。

本文在吸取前人经验的基础之上，尝试利用无人机倾斜摄影测量技术，获取所需更新地形图区域的三维立体影像，并在此基础之上利用某商业软件实现裸眼三维测绘。克服了传统正射影像矢量化地图时屋檐无法改正、隐蔽点高程无法采集等缺点。最后，外业调绘地形图将遮挡严密地方数据野外采集补齐、地貌属性调绘完善最终形成要素齐全地形图。利用传统外业RTK—全站仪模式验证三维测图的精度，其结果完全满足1∶500比例尺要求。本文通过无人机技术建立起实时更新大比例尺地形图的联动机制，为城市建设快速发展保驾护航。

1.传统1∶500比例尺地形图更新模式的弊端

1.1 地图要素变化发现困难

地形图更新之前必须精准获取变化区域及变化要素，但目前对于各城市来说，准确获取地形图变化区域主要还是以外业调绘为主，据实际工作中不完全统计，外业调绘巡视约占工作总量的70%[4]。并且随着一线城市、二线城市众多经济开发区的成立，直接导致这些地块地貌发生变化速度加快。同时这几年城镇化速度加快，楼市始终处于火热状态。拔地而起的高楼一天之间就会有变化，城市内兴修高架快速路、绿化种植等民生工程每天都在进行。所以完全依靠野外调绘发现变化区域时效性很差。

1.2 劳动强度大、作业效率低

传统的地形图更新是一项劳动强度大，作业效率低的任务，依靠传统测量仪器完成外业测绘任务，工作效率低[5-8]。例如某二线城市测绘院负责五环以内12000km2的测图任务，以现有的外业科室为主干，该部门8个班组共计16人承担该项任务。以每人每天调绘外加实测3.2幅图为例，需要工作日249d。一般城市大比例尺地形图更新周期为一年。以这样的速度很难做到一年一更新的要求。虽然利用CORS加全站仪常规方法是获取大比例尺地形图要素最有效的方法，但该方法存在工作量巨大、工作效率低、浪费单位人力资源与物力的缺点。

2.无人机倾斜摄影测量技术应用于1∶500比例尺地形图更新主要技术路线

在地形图更新时，一般定制以下流程：研究确定策略、收集和分析已有资料、确定变化区域等几个关键步骤技术路线。在利用无人机进行倾斜摄影测量主要过程包括倾斜摄影数据采集，像控点外业选点与实测，空中三角测量加密及优化，数字表面模型生成，纹理贴合与三维模型构建，裸眼三维测图，外业巡视、调绘与补测,主要流程（如图1所示）:

图1 倾斜摄影测量主要技术路线图

2.1 倾斜摄影外业采集

选择本区域有利的气象条件开展飞行工作，确保影像能清晰显示地貌与地形。风速一般不大于5.6m/s，飞行时刻在中午前后左右最为适宜，这样会减弱高耸建筑物、高大植被阴影对地面要素的遮挡。飞机机载POS数据采样率不大于1s；飞行高度根据飞行区域设置，一般选择该区域最高点高程值与最低高程值均值为航高。飞行速度一般设置为7m/s，这样有利于飞机在飞行过程中不会因为飞行速度过快而造成的飞机失稳情况发生。航向重叠度一般设置为60%到65%，旁向重叠度设置为30%到40%，当测区建筑较密集时。可适当增大航向重叠度与旁向重叠度，以减弱因航向重叠度不足而造成的建筑物几何结构粘连。

2.2 像控点测量

测量像控点是为了影像在空三加密后将相片坐标系统转化为像控点坐标系统的工作，理论上像控点越密集，空三解算精度越高。但无疑会增加工作强度与增加物力、财力。一般像控点实测采用城市CORS系统，利用RTK野外选择在影像判别清晰的地物角位置，像控点分布以满足影像空三解算为前提，一般在测区周边及中心位置选择适合的数量像控点，有条件单位可选择强制对中像控点。像控点选择一般满足以下条件：

（1）像控点需选择较为尖锐的标志物，以提高内业精度；

（2）像控点标志物尺寸应不大于70cm，且明确指出具体点位是标志物哪一部分；

（3）像控点尽量选择平坦地区，避免树下、屋角等容易被遮挡的地方。

2.3 空三加密与三维模型重建

相较于传统航天航空正射影像空三解算，倾斜摄影空三解算自动化程度、人工干预少、解算精度高、速度快，而且飞机自带POS系统，实时提供相片的外方位元素。利用与无人机配套的软件进行空三解算、空三优化及模型重建。

2.4 三维测图

目前国内许多测绘软件公司开发出裸眼三维测图软件，其具备直接采集墙角或者墙面获取房屋图形信息；高程通过面选或者线选可以生成符合1∶500比例尺地形图要求的间隔，相较于传统数字野外测图方法，该技术可实现全视觉无死角采集，可对同一地方进行多视角重复采集，极大地提高了效率，减少了外业工作时间。

3.实例验证

3.1 项目实施情况

某省会城市负责接管某地级市下属乡镇，该省会城市为掌握该镇基本情况，委托本市测绘院进行该镇区域1∶500地形图更新任务，该区域10.8km2，地势较平坦，丘陵较少，多以城镇房屋为主，以农村耕地、温室大棚为辅，正值春季地面无积雪，耕地中无经济作物为倾斜摄影航飞提供有利条件。测区范围影像图（如图2所示）：

图2 测区范围

本次飞行任务选用的为大疆无人机，该无人机是一台四旋翼小型无人机，该机具备厘米级定位精度并且具备稳定平衡系统，飞机最大续航为30min，搭载2000万有效像素的专业摄影装备，通过软件控制可实现五方向连续航拍；本次任务航飞高度选择110m，地面分辨率3.0cm,航向重叠度80%，旁向重叠度为70%。内业处理三维模型构建选用大疆公司研发的某软件所生成三维立体模型（如图3所示）:

图3 三维模型

内业采集软件采用清华三维研发的EPS2016立体测图系统，该系统可将立体模型数据转换为通用osgb格式数据，再转换至DSM格式三维数据，最终实现不佩戴立体眼镜实现360°实景信息采集。并且实现多窗口二维、三维同步联动的功能，并支持多视角采集。该系统还可实现模型切割功能，方便道路采集；可实现高精度采集房屋等地物要素和相应属性录入；同时支持对生成图形进行合法性数据检查，包括属性检查、自相交检查、逻辑检查等等。通过本文提供的方法相比于传统测量方法减少约为三分之二的时间，并且减少了大量的人力与物力。三维采集效果（如图4所示）：

图4 任意视角图

3.2 立体测图遇到的问题及解决方法

（1）矢量数据加载模型中经常发生模型缺失情况，此时卸载模型并重新添加倾斜模型便可解决问题，并且添加矢量数据可节省加载时间；

（2）由于航飞时，某个方向出现摄像漏洞，导致个别建筑物出现模型粘连情况，此时采集房屋时会出现无法捕捉房角与房面点情况；可采用模型切割功能，将建筑物以某一高度进行水平切割，会将房面以某一厚度展现出来，此时再以面相交会出房屋。绘制植被下方道路时，特别是高大树木遮挡的道路，也可以采用该功能。如果房屋被遮挡严重可通过调整视角与方向采集1-2个房角点，后期可通过外业补测补齐图形；

（3）大面积耕地、道路需要生成高程点时，如采用点选方式工作效率低，但选择面生成会遇到高程采集在车和树木上面；此时可先用面生成相应隔网间隔的高程点，在通过生成等高线来凸显高程异常值点，直接删除不合理的高程点即可。

3.3 精度分析与可行性验证

为验证本测区1∶500比例尺成图精度，依据《测绘成果质量检查与验收》（GB/T24356-2009）规定随机抽取图幅总数的10%外业打点检查，外业采用Leica2秒级全站仪测量同名点坐标，利用网络RTK采集地面高程，每幅图平面点50个，高程点30-50个，间距30-50个；对检查平面和高程中误差计算精度统计采用如下公式所示，部分统计结果（如表1、表2所示）：

表1 高程精度统计成果表 单位：m

表2 平面点精度统计成果表 单位：m

式中，M为打点统计成果中误差；n为打点总个数；Δ实测值与图上值较差。

经过外业打点统计，平面位置中误差为0.039m，其中最大值为0.088m，最小差值为0.002m；检核点高程中误差为0.044m，其中最大值为0.091m，最小值为0.01m。由此可见，成果满足《CH/T 9008．1—2010基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000数字线划图》中1∶500地形图精度要求。

4.结束语

本文系统性总结了无人机倾斜摄影测量技术应用于1∶500比例尺地形图更新的方案流程，并以实际工程项目验证了该方案在精度上的可行性，与实际操作上的适用性。目前制约该技术的发展其硬件方面包括无人机的续航时间有待加强以及镜头相机像素、分辨率还可以再提高，软件方面包括飞机控制系统、三维模型生成系统、立体测图系统都可以有很大的进步空间，并且随着5G技术的发展与成熟，数据传输与处理有着更广阔的发展空间。以下几个方面是值得深入研究：

（1）根据三维模型自动或者半自动采集数字线划图；

（2）推广成果的应用，如，不动产三维提供发证的精度，使得图形更直观、更能被公众接受；

（3）依靠倾斜测量技术生产出高精度、精细化、真实感、定制化的三维地理信息数据，为基础地理信息行业的应用提供数据基础支撑。