仿地飞行技术在山区大比例尺地形图测绘中的应用研究

郑朝峰，王东野

（浙江海测科技有限公司，浙江 杭州 310051）

数字线划图是航空摄影测量4D 产品重要的组成部分，在实际生产规划中有着很多用途。传统的地形图生产是利用GPS-RTK 进行全野外作业，并在采集坐标时绘制草图，完成数据采集后，在CASS 等软件中将草图和采集的坐标进行矢量化。传统的地形图生产方式由于作业效率低，精度的高低和采集坐标的密度呈正相关，已经无法满足实际需求。随着无人机垂直摄影测量技术的出现，采用无人机进行影像数据的获取，利用摄影测量软件进行空中三角测量解算和虚拟立体环境测图成为了主流的地形图生产方式，但是这种方式采集影像时无人机飞行高度是不变的，这样在地形起伏变化大的区域采集影像时，获取的影像分辨率差异大，空三解算精度不均匀，导致最终的成果在分辨率低的区域容易出现精度超限问题，而且获取的影像视角单一，遮挡严重，外业工作量相对来说也不小[1-4]。

针对这种问题，本文分析了仿地飞行和倾斜摄影测量技术后，提出将二者结合用于山区大比例尺地形图生产的作业方案，并通过实地采集的检测点进行精度检测。检测结果表明：采用本文方案生产的地形图，其精度可以满足1∶2 000 地形图航空摄影测量内业规范地形图精度要求，并且精度均匀，内业可用的影像信息更加丰富。较垂直摄影测量来说，外业工作量明显下降，降低了作业成本，提升了数据生产效率，具有一定的实用性和借鉴性。

1 仿地飞行技术

仿地飞行是一种高度随着数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）变化而变化的航空飞行技术，这种飞行技术能够始终保证飞行高度与DSM 之间的高度是一致的。相机焦距、航高、像元大小和影像分辨率之间的关系为

其中：GSD 为影像地面分辨率；H 为相对航高；a为像元大小；f 为焦距。

由式（1）可知，当航摄高度一致时，同一款相机其获取的影像地面分辨率是相同的[5-6]。影像航向、旁向重叠度和航高有关，当航高与地面之间的高度固定时，其航向、旁向的影像重叠度也是一致的，这样保证了后续空三解算时精度是均匀的。

2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量是指飞行平台在作业时，搭载倾斜设备，在空中对地面从多个角度进行影像数据采集，并利用摄影测量软件完成影像数据的解算，生产测绘产品的技术。通常飞行平台有固定翼无人机和多旋翼无人机，固定翼无人机续航时间长，作业效率高，但是相对多旋翼无人机来说，飞行高度较高，获取的影像分辨率较低；多旋翼无人机较固定翼无人机而言，可以飞行更低，获取的影像分辨率更高，但是作业效率低。

倾斜摄影是可以搭载多种镜头的倾斜相机，以固定五镜头相机为例，其由1 个下视相机和4 个侧视相机组成。下视相机从空中垂直地面进行影像数据的采集，其获取的主要是建筑物顶部信息；侧视相机则是从空中以一定的倾斜角度对地面进行影像数据的采集，其获取的主要是建筑物侧面信息，是对垂直摄影盲区影像数据的补充[7-9]。通过对不同倾斜角度下获取的影像数据信息丰富度、成果精度分析可知，当倾斜相机与垂直相机的夹角为45°时，获取的影像信息最为丰富，数据解算精度也最高。

3 倾斜摄影仿地飞行作业流程

利用仿地飞行和倾斜摄影测量技术进行山区大比例尺地形图的生产，其主要包括像控点的布设与采集、高精度DSM 数据的获取、仿地航线规划、影像数据采集、实景三维模型生产、大比例尺地形图制作、成果精度检测统计等，具体倾斜摄影仿地飞行作业流程见图1。

图1 倾斜摄影仿地飞行作业流程

4 案例分析

1）测区勘察与资料收集。本次任务区位于山区，测区面积13.2 km2，范围内高差约500 m，如采用传统固定航高摄影测量的话，获取的影像分辨率差异大，在范围内的高处重叠度低，在低处重叠度高，会导致空中三角测量精度较差，生产的地形图成果精度不均匀，甚至超限。在分析了地形后，决定采用倾斜摄影和仿地飞行技术进行数据的采集和地形图的生产。仿地飞行需要高精度的DSM 数据，本次通过资料收集获取了任务区已有的垂直影像数据，现势性较强。利用Pix4D 软件进行数据解算，得到了精度较高的DSM 数据成果，可以作为仿地飞行航线规划的参考数据，为本次作业方案的顺利实施提供了保障。

2）像控点布设与采集。首先将任务区范围线导入LSV 软件中，再按1 000 m 的间隔均匀布设像控点，最后将布设好的点位导出为标记语言（Keyhole Markup Language，KML）文件，提供给外业采集像控点的作业人员。外业人员将KML 文件导入到奥维互动地图APP 软件中，通过导航找到实际点位后，进行像控点坐标数据的采集。为了提升内业像控点转刺精度，本次像控点点位采用边长为1 m 的红色油漆喷涂的L 形靶标，每个点位采集为3 次，且多次较差均要求在2 cm 之内，取平均值作为像控点最终的坐标值。为了对地形图成果精度进行检测，按照同样的采集方式，在空三精度薄弱区域随机采集30 个特征检查点。

3）仿地航线规划与影像数据获取。将获取的DSM 数据导入到Waypoint Master 航迹大师软件中进行仿地航线的规划。设置地面影像的分辨率为13 cm，航向重叠度为85%，旁向重叠度为80%，航向外扩2 条基线长度，旁向外扩1 条航带，以确保任务区边缘获取的影像数据完整，得到完整的实景三维模型成果。将规划好的航线上传飞行控制系统，在确保飞行环境安全时，完成无人机的起飞与影像数据采集工作。通过人机交互方式，对影像的表征质量、色调、反差、对比度、影像和POS 的完整性进行检查。经检查，本次采集的成果质量符合相关规范，成果可用。

4）空中三角测量解算。空中三角测量解算是摄影测量最为核心的一个步骤，通过共线方程，恢复了航摄像片与地面点的对应关系，通过像控点的平差调整，将相对定向的加密点成果转换到目标坐标系统下。空中三角测量解算的精度主要与输入的参数有关，为了确保数据解算精度高，利用少量的影像对相机参数进行了优化，并结合五镜头相机安置参数，以下视相机POS 为基准，对侧视镜头POS数据进行了解算，得到高精度的相机参数和POS 数据。利用ContextCapture 三维实景建模软件进行空中三角测量解算，本次空三加密点重投影中误差为0.31 像素，控制点三维中误差为0.051 m，空三加密成果精度符合相关规范，可直接用于后续三维模型的生产。

5）实景三维模型生产。以空三加密成果为基础，先利用多视影像密集匹配算法完成密集点云的匹配，并得到不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）成果，利用直接法将纹理准确的映射到三角网上，得到的纹理逼真细腻，符合实际情况的实景三维模型成果。在数据分块生产时，结合电脑配置，本次瓦片划分方式选择规则平面格网，大小设置为100 m×100 m，格式选择OSGB，其他参数默认，提交任务，完成三维模型数据的生产。

6）山区大比例尺地形图制作。本次地形图生产利用EPS 软件完成。加载OSGB 模型和XML 文件，得到EPS 软件中可以使用的DSM 索引文件，并按照地形图采集要求完成本次地形图的生产。为了提升作业效率和成果质量，本次采集四边规则房屋时，使用“四点房”命令可以快速绘制规则房屋。采集等高线时，先在植被覆盖区域通过“淹没”的方式获取等值面，再进行等高线采集；在植被稀少、裸露区域，通过自动提取高程点，利用高程点生成等高线的方式进行等高线数据的采集。对于模型不完整，无法准确采集的区域，外业进行补充测绘，通过内业定位、外业定性的内外业相结合作业方式，得到最终的地形图成果。

7）精度检测统计与分析。利用采集的30 个特征检查点，对本次成果精度进行检测，部分检测结果见表1。通过对检测点精度进行统计分析，本次地形图成果平面精度最大较差为0.712 m，高程较差最大为1.018 m。采用同精度中误差计算公式可得到本次30 个点的平面位置中误差为±0.368 m，高程中误差为±0.521 m，成果精度均符合1∶2 000 地形图精度规范要求。

表1 地形图精度检测统计表

5 结束语

本文介绍了仿地飞行和倾斜摄影测量技术，并将二者结合用于山区大比例尺地形图的生产。通过外业实地采集的特征点对本次生产的山区大比例尺地形图精度进行检测，由检测结果可知，本文提到的作业方案生产的山区地形图，其精度均匀，可以满足1∶2 000 地形图精度规范要求，并且充分利用了倾斜摄影多视角度影像，减少了外业补充测绘工作量，提升了数据生产效率，具有一定的实用性和可推广性。