基于倾斜摄影测量技术的全要素地形数据生产

雷朝锋，陈西斌，魏士春

1. 河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南 郑州 450016；

2. 长春市测绘院，吉林 长春 130021；

3. 山东正元地球物理信息技术有限公司，山东 济南 250013

0 引 言

随着经济社会发展和新的测绘技术不断发展、迭代，以及社会发展过程中对于测绘产品越来越高的要求，新型基础测绘这一概念在时代背景下应运而生。2015年，国务院批复同意《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》，提出“加快发展基础测绘，形成新型基础测绘体系”的要求，也更加推动了新型基础测绘的发展与应用[1]。新型基础测绘衍生于传统基础地形测绘，是对传统基础地形测绘的继承、发展与推广。新型基础测绘具有多种典型特征，如技术手段新、组织模式新、服务模式新等。以全属性、全空间、全实体为特征的全要素地形数据是新型基础测绘体系下的重要子产品之一。全要素地形数据是以地理信息服务的智能化、精细化、真实化、精确化为目标，使用新型基础测绘采集手段获取全空间地理实体数据，通过数字矢量形式反映和描述地球表面测量控制点、水系、居民地及垣栅、工矿设施、交通、管线、境界与政区、地貌与土质、植被等全空间、全要素的空间及属性等信息[2]。作为近年来兴起的空间三维数据采集手段，倾斜摄影测量技术可快速、高效地获取地表三维空间数据。因其具有不受测区地势、环境等限制的优势，已经被广泛应用于城市应急保障、精细化管理、规划建设等众多领域[3]。本文以某新型基础测绘试点区域全要素地形数据生产项目为例，研究并实现了基于倾斜摄影测量技术的全要素地形数据生产。新型基础测绘试点区域共90 km2，其中28 km2外业数据使用直升机搭载倾斜摄影测量系统采集得到。通过对采集到的原始数据进行解算，得到满足全要素地形数据生产条件的影像数据、倾斜模型数据等。以倾斜摄影测量产品为数据源，进行全要素地形数据生产，完成28 km2的全要素地形数据制作。本文基于倾斜摄影测量技术的全要素地形数据制作方法与理念，可供新型基础测绘体系建设中的地形生产借鉴。

1 实验区概况及技术指标

1.1 实验区概况

某新型基础测绘示范区约90 km2，按实验要求分为A、B、C等3个区域。其中A区约28 km2，通过倾斜摄影测量技术采集得到外业数据，区内地理要素类别丰富，地理实体覆盖点、线、面等所有类型，建筑物、交通及其附属设施、管线及其附属设施、水系及其附属设施、地貌、植被等地理实体种类齐全。

1.2 倾斜摄影测量成果精度指标

参照倾斜摄影测量相关规范，在基准面下影像分辨率应高于3 cm，困难区域可放宽至5 cm[4]。空三绝对定向精度需满足表1中规定精度指标。

表1 绝对定向精度指标Tab.1 Absolute orientation accuracy indices

1.3 全要素地形数据精度指标

《城市测量规范》中对1∶500地形图的平面精度与高程精度有明确规定，在平地、丘陵区域1∶500地形图的间距中误差小于0.20 m，平面点位中误差小于0.25 m，高程中误差小于0.10 m[5]。示范区新型基础测绘项目参考《城市测量规范》，以不同实体、不同精度为目标，经过各方调研论证，将全要素地形数据平面精度分为3个等级（表2），将高程精度分为3个等级（表3）。

表2 全要素地形数据平面精度要求Tab.2 Plane accuracy requirements of total factor terrain data

表3 全要素地形数据高程精度要求Tab.3 Elevation accuracy requirements of total factor terrain data

2 外业数据采集

2.1 影像数据采集

新型基础测绘示范区共完成28 km2的航空影像数据采集。直升机平台飞行7个架次，飞机轨迹达到392.04 km。为了保证侧视镜头能够完整覆盖测区边界，在进行影像数据采集前的航线布设时，航向、旁向覆盖应至少超出航摄分区边界一个相对航高的距离。根据航空摄影相关规范与项目设计要求，对航摄技术参数进行合理设置，并且严格按照领航数据实施航摄飞行。

相对航高H、航向重叠度px、旁向重叠度py的计算公式分别为：

式中，f为镜头焦距；a为像元尺寸；GSD为地面分辨率；dbl为基线长度；Px为影像航向长度；w为航带间距；Py为影像旁向长度[6]。

本文倾斜摄影测量系统搭载的镜头分辨率为8868×5792，包括两个垂直镜头，具有11%的重叠率，其中地面分辨率GSD达到了1.8 cm。通过上式可以计算得到影像航向长度Px约为104 m，影像旁向长度约为284 m。当倾斜摄影测量飞行平台的飞行速度达到60 km/h、相机曝光间隔达到1 s时，航带间距为120 m，基线长度dbl为15 m。此时可以计算得到航向重叠度px约为86%，旁向重叠度py约为58%。为了保证空三的稳定性，可适当将旁向重叠度提高至80%。在地面分辨率与航高保持不变的情况下，航带间距可降至57 m。

2.2 像控点采集

本文使用VRS-RTK模式进行像控点三维坐标采集。每个位置的像控点共采集4组观测数据，每组数据观测时间为15 s。按照像控点采集规范要求，当4组观测数据的平面较差小于2 cm，高程较差小于3 cm时，可将4组观测数据的平均值作为像控点的最终成果数据。像控点采集完成后，均匀选取测区内30%的像控点进行检测。

3 数据处理

3.1 数据准备

在进行数据处理前要准备3种原始数据，一是外业像控点数据，包括点之记、像控点分布图；二是飞行轨迹POS数据，包括所有相片的外方位元素成果（Kappa，Phi，Omega，Height，Latitude，Longitude）；三是影像数据，选择测区范围内的倾斜与下视5个镜头的倾斜影像数据。

3.2 导入数据

对测区范围进行分块，每块大约为1 km2，并单独建立空三解算工程。空三解算使用的软件为ContextCapture Center Master，在软件中新建工程，存储路径与工程名称为英文。在工程中导入预处理后的倾斜影像数据，其中每个区块的影像数据单独存在一个文件夹中。填写焦距与传感器大小，导入影像数据后一般会自动读取。

继续将飞行POS轨迹数据导入工程中，其中EO文件格式为影像的名称，需要注意的是，输入路径与X、Y、Z均为英文状态。

3.3 空中三角测量

利用倾斜影像自动匹配得到侧视镜头与下视镜头的相对位置坐标，添加控制点进行整体区域网平差，从而实现倾斜影像绝对位置获取，也就是空三加密（图1）。

图1 空三运行引擎界面Fig.1 Interface of aerial triangulation calculating engine

空三解算区块划分的原则主要有以下3个方面，一是分块形状尽量规则，以正方形、矩形为宜；二是不同块边界至少向外扩6张相片；三是分块不跨测区，将航测分区作为区域分块边界[7]。在进行相对定向时，通过选择特征点，并且利用影像之间的相对关系进行空三计算，定向完成的标志就是所有连接点在同一平面。将外业控制点加入软件中，第一次空三计算完成后，相片上会出现控制点大致位置，参照外业控制点照片进行刺点。将刺点误差控制在0.5 pixel以内（图2）。完成所有控制点刺点后，依据外业测量精度，分别将控制点的水平与高程误差改为0.05 m。

图2 像控点刺点示意图Fig.2 Schematic diagram of image control points

选择外部控制点进行绝对定向，完成绝对定向以后，查看控制点精度，如果重影协方差在0.5 pixel以内，表明空三成果可用，可进行下一步建模工作；如果误差超出范围，根据误差进行控制点筛选，或者重新刺点，继续做绝对定向，直到精度满足要求。

3.4 模型制作

导入空三结果后，得到所有影像的外方位元素及同名点，通过空三建立的影像之间的三角关系构建三角TIN。利用三角TIN完成白模的制作，将影像纹理映射到白模上构建真实场景模型[8]。输出模型时的格式为OSGB，纹理质量选择90%，通过坐标转换将输出的模型坐标转换为满足全要素地形数据生产的当地坐标系，解算得到三维实景模型（图3）。

4 全要素地形数据生产

全要素地形数据生产原则为从清晰到模糊，从整体到局部。对因倾斜模型数据模糊造成影响内业矢量提取的，应进行外业补测工作。在矢量数据提取时，不同地理要素被赋予相应编码及属性信息。利用倾斜模型数据与影像数据进行数据提取时不仅要保证地理要素种类的正确性，也要保证地理要素提取的精度。对于点状地理要素，通过定位点准确描述几何位置及方位角；对于线状地理要素，定位线要准确描述几何位置及走向；对于面状地理要素，要保证提取面结构的封闭性。全要素地形数据生产流程可归纳为数据源格式转换、矢量数据提取、外业调绘与补测、数据修改与编辑、数据检查。

4.1 数据源格式转换

空三解算完成后输出的是OSGB数据格式，而采集软件为了提高倾斜模型数据加载速度，一般会建立索引结构[9-10]。故在进行内业矢量数据采集前，需将OSGB数据格式转为采集软件可识别的数据索引结构数据。

4.2 矢量数据采集

基于新型基础测绘应采尽采的原则，采集目标不局限于高度、朝向、落地点三维坐标等。在此基础上，根据各要素的点、线、面特征，获取各要素的三维特征点、线及相关空间属性信息，空间属性信息包括特征点、线及空间属性等[11-12]。利用倾斜模型采集矢量数据会遇到模型清晰程度不够或者模型蜡融区域，不可盲目猜测、随意加线，应根据实际情况进行补测。

矢量数据采集过程中不同视角下采集会得到不同的信息，绘制地物信息后，应在不同视角下进行检查，保证绘制数据的准确性。要素采集应不移位、无错漏。图4为叠加倾斜模型数据的矢量数据采集。

图4 矢量数据采集Fig.4 Vector data acquisition

4.3 外业调绘与补测

通过倾斜模型数据不可能将实际环境的所有地理要素都采集得到。由于倾斜模型数据存在部分地物被遮挡，或者部分地物属性信息不明显，需要进行实地调绘与补测。调绘过程中要做到走到、看到，使用统一的规则与合适的符号在图纸上标注，方便内业人员进行判读[13]。调绘内容包括地理实体名称、编号、属主等信息。补测过程中要充分利用测区已有控制点，做好草图，方便内业人员编辑。

4.4 数据修改与编辑

完成内业矢量数据提取和外业调绘、补测后，根据调绘与补测的结果对全要素地形数据进行修改与编辑，以综合取舍为基本原则进行修改与编辑。全要素地形数据属性来源包括现场调绘与资料收集，两种方法结合使用，互相配合[14]。收集已有各类资料，提取需要使用的属性信息，对外业调绘得到的属性信息进行梳理，将梳理后的属性信息添加到对应的实体中。

4.5 数据检查

全要素地形数据的质量检查主要包括两方面，一是通过数学计算进行拓扑关系检查，检查图形接边、对象交叉、对象重复等错误；二是数据合法性检查，检查对象属性项数据的字段大小与字段内容的合法性、对象放置层的合法性、对象使用编码的合法性等。质量检查完成后，根据评分细则对数据进行质量评定，对质量不合格的全要素地形数据退回处理，修改至满足质量要求。图5为制作完成的全要素地形数据，相比传统基础测绘地形图，全要素地形数据主要增加了道路地面箭头、停车线、人行横道线、道路标线等道路交通标志信息，为高精地图、城市道路交通网络提、城市精细三维模型供了可靠的数据来源。

5 精度评定

对使用倾斜模型制作完成的全要素地形数据进行精度检验，通过RTK结合全站仪采集检验点三维坐标[15]。检验点主要为道路特征点、杆类地物中心点、建筑物角点等。将采集得到的检验点与倾斜模型提取得到的地理要素同名点进行坐标比对，得到全要素地形数据的平面与高程精度统计数据（表4）。通过精度统计表可知，利用倾斜摄影测量技术提取得到的全要素地形数据各类几何精度均符合项目设计要求。

表4 全要素地形数据精度统计Tab.4 Accuracy statistics of total factor terrain data

6 结 论

作为新型基础测绘体系下的重要子产品之一，全要素地形数据因具有种类齐全的地形要素、三维特征信息等优势，应用前景极为广泛。城市区域全要素地形数据生产，由于城市建、构筑物较为密集，通视条件差，利用传统方式进行三维数据采集耗时耗力，工作量巨大。由空间定位、航空摄影等多种技术组成的倾斜摄影测量技术无需通视条件，可快速、有效地获取地表高精度三维数据。本文以某新型基础测绘示范区全要素地形数据生产项目为依托，充分利用倾斜摄影测量技术在数据采集、数据生产中的优势，将倾斜摄影测量技术应用到全要素地形数据生产中。以倾斜模型与影像数据为数据源进行内业矢量数据采集，并且通过外业检验点验证了采集数据的精度，有效节省了工期，降低了成本。研究表明，通过倾斜摄影测量技术进行全要素地形数据生产是切实可行的，为新型基础测绘体系建设中数据生产方式、生产技术提供了有益的参考。