倾斜摄影仿地飞行技术在山地地形图测绘中的应用研究

代明 刘晓文 吴英梅

摘  要：针对传统固定航高条件下在山地飞行时获取的影像分辨率差异大，所生产的地形图精度易超限、不均匀的问题，文章提出采用仿地飞行技术进行倾斜影像数据获取，并在生成的实景三维模型上采集地形图的作业方案。此外，利用外业采集的检查点对文章得到的地形图精度进行了检测。结果表明，采用倾斜摄影仿地飞行技术生产的地形图精度均匀，可以满足山地1：2 000大比例尺地形图精度的要求。

关键词：仿地飞行；倾斜摄影；实景三维模型；地形图；地形图精度

中图分类号：TP39；P231   文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）16-0121-04

Research on the Application of Oblique Photography and Ground Simulation Flight Technology in Mountain Terrain Mapping

Dai Ming1， LIU Xiaowen2， WUYingmei3

（1.Geological Survey of Gansu Province， Lanzhou  730030， China; 2.Shandong Guangyuan Geotechnical Engineering Survey Co.， Ltd.， Yantai  264000， China; 3.Shandong Nuclear Industry 273 Geological Brigade， Yantai  264006， China）

Abstract： In response to the problem of large differences in image resolution obtained during traditional fixed altitude flying in mountainous areas， as well as the tendency for the accuracy of terrain maps produced to exceed limits and be uneven， this paper proposes to use ground simulation flying technology to obtain oblique image data and collect terrain maps on the generated realistic 3D model. In addition， the accuracy of the terrain map obtained in the paper is checked using checkpoints collected from field work. The results indicate that the terrain map produced using oblique photography and ground simulation flight technology has uniform accuracy and can meet the accuracy requirements of large-scale terrain maps in mountainous areas with a scale of 1：2 000.

Keywords： ground simulation flight; oblique photography; realistic 3D model; terrain map; terrain map accuracy

0  引  言

地形圖也被称为数字线划图（Digital Line Graphic， DLG），是航空摄影测量4D产品的重要组成部分，在实际生产生活中有着非常多的用途。传统的地形图是全野外作业，采集相当多的坐标点，然后内业再连点成图。这种作业方式，其成果精度直接和测点的数量呈正相关，又和作业效率呈负相关。要想精度高，只能多采集点，导致作业效率低，而且全野外作业，成本高，风险性高。随着无人机摄影测量技术的出现，采用无人机航空摄影测量方式生产地形图成为主流。由于是固定航高飞行，这种方式生产的地形图，其精度和地形有关。在平坦区域，其精度基本上一致，在山地高山地区域，其精度不均匀，在影像分辨率低的区域容易出现成果精度超限的问题[1-3]。针对这种地形图成果精度不均匀的问题，文章分析了像控点布设、空三加密等环节，发现其精度主要和影像分辨率有关。在固定航高航飞时，低处区域获得的影像分辨率低，高处区域获得的影像分辨率高，导致匹配加密点时，提取的加密点精度不统一，后期生产的地形图精度不均匀[4]。为了解决这一问题，提出采用倾斜摄影仿地飞行技术来进行影像数据的获取，然后进行倾斜数据空三加密，并转刺像控点、平差，得到精度符合相关规范的空三成果后，直接生产三维模型。并基于裸眼测图技术，直接在三维模型，按照1：2 000地形图相关要求，采集地形图。最后用外业采集的特征检查点，对地形图成果精度进行检测。结果表明：采用本文方法生产的地形图，其精度均匀，未出现超限值，整体误差符合正态分布曲线，并且内业作业效率高，生产成本低，具有一定的实用性，可为山地大比例尺地形图的生产带来借鉴。

1  倾斜摄影技术

倾斜摄影测量不同于垂直摄影测量，是近年来迅速发展的一种新型测绘技术。其较垂直摄影测量来说，搭载的相机数量更加多，姿态更加灵活。垂直摄影测量，只搭载一个相机，在作业时垂直于地面进行影像数据获取。倾斜摄影搭载多个相机，而且可以不搭载垂直相机，如武汉大势智慧的摇摆2镜头相机。倾斜摄影相机的搭载，通常是从多个角度对地面物体进行拍摄，这样就可以获取丰富的地面物体侧面纹理信息，更有利于后期数据成果的应用。以5镜头倾斜相机为例，其由“1+4”组合而成，1指一个下视相机，4指4个侧视相机。侧视相机与下视相机夹角为45度。在摄影测量中，相对航高、焦距、地面分辨率和像元大小存在式（1）的关系：

GSD = H×a / f                      （1）

其中GSD是地面影像分辨率，H是相对航高，a是像元大小，f是相机焦距。为了提升数据解算的准确度，一般在数据解算时，要求输入的数据像元大小相同，分辨率基本一致，而由式（1）和5拼相机可知，侧视相机的相对航高是下视相机的1.41倍，要想保持影像分辨率一致，则要保证侧视相机焦距是下视相机焦距的1.41倍。为了解决这一问题，5拼相机在组装时，都会人为调整焦距，保证侧视和下视之间的倍数关系。

2  仿地飞行技术

随着飞控技术和导航精度的不断提高，仿地飞行技术发展迅速。仿地飞行技术主要是借助高精度的数字表面模型（DSM）来完成的，这就需要在仿地飞行前，首先得到任务区内精度较高的DSM数据[5]。仿地飞行是指在航飞的过程中，飞机距离地面的高度始终是固定的，由式（1）可知，这种条件

下，航摄得到的影像，其分辨率基本上是一致的，这就能保证后期成果精度是均匀的。仿地飞行示意图如图1所示。

3  作业流程

倾斜摄影仿地飞行在地形图测绘中的流程主要包括DSM数据收集、航线规划、像控点布设与测量、影像数据航飞、倾斜摄影空中三角测量、实景三维模型生产，具体作业流程如图2所示。

4  项目案例

某区域位于山区，高差800 m左右，要采集1： 2 000地形图。为了保证生产的地形图精度均匀，本次拟采用倾斜摄影仿地飞行进行影像数据的获取，然后生产三维模型，利用EPS软件采集地形图。首先对任务区的资料进行了收集，收集到了现势性强的5 m分辨率的DSM数据，可作为本次仿地飞行的基础数据，用于仿地飞行航线的规划。

4.1  像控点布设预测量

本次按照800 m的间隔均匀布设像控点，并在拐角处对像控点进行加密布设。布设底图为下载的遥感卫星影像，在遥感影像上将点位布设好后，打印出来，然后规划好像控点测量路线，这样可以避免像控点漏测，提升像控点测量效率。利用GPS-RTK进行像控点测量时，杆子竖直，每个点位采集多次，每次平滑多次，然后在固定解状态下进行坐标测量，同一点多次测量值较差小于1 cm时，取平均值作为最终测量值。为了便于内业快速找到准确的点位，在测量像控点时，需要对其进行拍照，照片需包含1张近景，2张不同视角的远景，便于通过周边地物准确判断像控点点位。以同样的方式，在测区精度薄弱区域，随机采集30个特征检查点，用于后期地形图成果精度的检测。

4.2  仿地飞行航线规划

与传统的航线规划相比，仿地航线规划增加了精细DSM文件的导入，在生成航线展点时，每个展点的高程值是DSM文件对应位置的高程值加上飞行相对航高。本次仿地航线规划，选用Wappoint master软件来完成，具体的参数设置如图3所示。

4.3  倾斜摄影影像获取

在完成航线规划任务后，将规划好的航线上传飞控，并由飞控控制完成无人机的起飞以及影像数据的采集。在起飞前，通过地面试拍，对内存卡、相机、电池等设备进行了检查，确保都是正常工作状态。在航飞的过程中，通过返回的视频查看无人机航飞状态，确保飞机工作状态正常。完成影像数据的采集后，通过人机交互方式，对航摄得到的影像成果进行查看。影像对比度明显，无曝光、无穿云，地物分辨率符合设计要求，POS数据和下视影像对应完整，成果质量良好可用。

4.4  空三加密及平差调整

本次倾斜数据解算采用Context Capture Center软件。为了保证软件中导入的影像无重名问题，本次利用拖把更名器对影像和POS数据进行重命名，并将更名后的影像数据和POS数据导入软件中，手动填写每个相机镜头的焦距。设置集群环境路径，按照软件默认的参数，提交空三任务，设置引擎路径并运行引擎。在自由网空三完成后，查看空三加密成果，无分层、弯曲、丢片等问题，成果质量良好。部分空三加密成果如图4所示。设置像控点对应的坐标系，将外业采集的像控点转刺到空三中，在转刺时，对于点位位于影像边缘的点不转刺，这样可以避免影像边缘畸变大对整个空三精度带来的影响，提升空三加密成果的精度。按照软件默认的参数再次提交平差任务，在完成平差调整后，查看空三报告，像控点点位平面、高程均优于5 cm，空三成果精度良好，可直接用于后续三维模型的生产。

4.5  三维模型生产

在平差合格后的空三成果基础上，提交重建任务，设置重建框架，框架坐标系统设置和像控点相一致。对于大面积区域三维模型的生产，选择瓦片划分方式为规则平面格网，这样便于后期瓦片的挑选。结合集群电脑的内存配置，本次设置瓦片大小为200 m×200 m，不宜设置过大，避免在运算时，由于内存溢出而导致建模失败。为了充分利用原始影像的分辨率，纹理貼图质量选择100%。模型输出坐标系和像控点相对应，模型格式选择OSGB，其余设置默认，提交三维模型重建任务，完成三维模型的生产。

4.6  地形图采集

本次地形图采集使用EPS软件。首先新建工程，选择1：2 000数据库模板，在三维测图模块，加载OSGB格式的三维模型和对应的原点中心xml文件，软件可以快速得到DSM文件，加载DSM文件，按照地形图测绘要求，完成1：2 000地形图的生产。在采集高程点时，对于地面植被稀少的裸露区域，勾选范围，设置高程点的距离，然后软件自动提点；对于植被密集区域，高程点则需要手动采集。在采集等高线时，对于植被稀少区域，可以使用高程点生成等高线；对于植被密集区域，高程点数量少，无法准确得到等高线，此时可使用淹没功能，设置高程值，然后对同高程下的区域进行采集，然后调整高程值，再次进行等高线的采集。如图5所示，在EPS软件中，基于实景三维模型，在未戴立体眼镜的环境下采集地形图。

5  精度检测与评定

利用外业采集的30个检查点，对本次生产的地形图，从平面和高程两方面进行了检测，部分检测结果如表1所示。

其中DX和DY代表在X方向和Y方向上的分量差值，DS代表检测点和对应的地形图上的点之间的距离，DZ代表在高程方向上的较差。本次30个检查点无粗差点，利用同精度中误差计算公式[6]，对30个检查点的中误差进行计算，得到其平面点位中误差为±0.714 m，高程中误差为±0.651 m，精度符合GB/T 7931—2008中相关要求。

6  结  论

本文采用倾斜摄影仿地飞行技术，对某一山区进行了航空摄影测量，生产了1：2 000比例尺地形图。利用外业采集的特征检查点，对本次获得的地形图精度进行了检测统计。对检测数值进行分析，本次生产的地形图精度均匀，无超限点位，整体成果质量良好，符合1：2 000地形图规范要求，本文的仿地飞行技术可以为山地地形图的测绘带来借鉴。

参考文献：

[1] 黄利章.无人机仿地飞行在复杂地形水库倾斜摄影测量中的应用 [J].经纬天地，2022（4）：44-46+62.

[2] 何亚锐.西部高山无人机仿地飞行倾斜摄影测量三维建模研究 [D].南昌：东华理工大学，2022.

[3] 辛赟.无人机仿地飞行在铜川地区某石灰岩矿区测图中的应用 [J].中国非金属矿工业导刊，2020（3）：53-56.

[4] 张强.仿地飞行在无人机倾斜摄影测量中的应用 [J].科技创新与应用，2020（7）：179-180.

[5] 赖斌.大疆精灵4 RTK仿地飞行在大高差地形测量中的应用 [J].中国水运.航道科技，2020（2）：59-63.

[6] 魏军，于洪雨，靳巧珠，等.无人机倾斜摄影技术在农村房地一体确权登记项目中的应用研究 [J].测绘与空间地理信息，2023，46（2）：60-63.

作者简介：代明（1987—），男，汉族，湖北仙桃人，工程师，本科，主要研究方向：地理信息系统和测绘。