基于倾斜实景三维模型的城市基础测绘应用研究

　　基于倾斜实景三维模型的城市基础测绘应用研究

　　0 引言

　　 城市基本地形图包含详细的地形、地物要素和丰富的信息资源，是城市规划、公用事业、公共安全、社会管理、资源管理等必不可少的基础地理信息资料。随着数字城市、智慧城市建设的快速发展，对城市基本地形图的更新效率提出了更迫切的需求，传统的全野外数字化地形图测绘更新手段和方法均面临着工作效率低、成图周期长、不能快速成图的紧迫问题，已无法满足社会快速发展的需要。如何实现快速有效、实时更新，满足数字化、智慧化城市建设需要，是目前城市测绘工作亟待解决的难题之一。

　　 倾斜摄影测量技术是近十几年发展起来的一项高新技术，该技术突破传统航空摄影单一传感器垂直角度拍摄限制，通过低空飞行平台挂载多传感器、多角度同步采集影像数据，获取具有高分辨率、大视场角、信息更丰富的地物数据。该技术融合低空飞行平台的机动灵活、效率高、成本低等技术优势，影像数据人工处理简单，工作量小，可有效提升生产效率、缩短成图周期。文献主要利用LiDAR点云测制1：5000地形图；文献主要研究相机标定及控制点对成果精度的影响；文献主要研究基于倾斜三维模型立面散点正交原理进行房檐改正，为基于模型的建筑屋檐改正提供了新的思路与方法，但该方法对模型成果及建筑本身有一定的要求。

　　为满足广州市基础地形图“1235”动态更新机制（市辖区范围内1：500地形图，城镇建设用地区域，每年更新1次、建设活动较为集中的其余建设区域，每2年更新1次；市辖区范围内l：2000地形图，每3年更新1次；规划区范围1：5000地形图，每5年更新1次；经济建设热点区域地形图成果及时更新）的测绘需求，笔者一直致力于无人机低空航摄等测绘新技术的大比例尺地形图测绘应用研究，来构建和完善基于空地一体化的广州市基础测绘动态更新技术体系。本文通过对低空无人机倾斜摄影测量技术的研究，研究了基于倾斜实景三维模型的地形图测绘方法，研究了具体的生产作业流程，实现了基于EPS三维测图平台的大比例尺地形图测制，形成了基于低空摄影测量技术的城市基本比例尺地形图更新技术方案。

　　1 倾斜摄影测量实景三维模型测图技术

　　 倾斜摄影测量技术多角度拍摄地物，更加真实地反映地物实际，为用户提供丰富的地理信息，更友好的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域。

　　 倾斜摄影测量技术的大比例尺地形图测绘与传统全野外数字化地形图测绘相比较，流程更加简化，通过将大量的外业工作转移到室内完成，降低了劳动强度，使作业流程更加简化，主要技术流程如下：

　　 (1)作业前的准备工作，收集航摄测区基础资料，如地形图、影像图、基础控制资料等。根据资料及任务概况，编写作业技术方案，明确任务、控制测量、航飞计划、工期、设备、人力资源及相关保障措施，同时根据飞行平台及传感器设计航摄区、影像分辨率、重叠度、航高及航摄架次等：

　　 (2)外业实施，首先，根据技术方案设计施测像控点坐标并实地填写点之记，其次开展外业航飞、影像质量检查及补飞等工作：

　　 (3)数据预处理，影像数据与POS数据编辑整理．POS数据及控制点数据解算与整理等：

　　 (4)数据处理及三维建模，内业软件实现影像匹配、空三加密、密集匹配、构建三角网及纹理映射等实现全自动三维实景模型建模：

　　 (5)三维测图，将三维模型导入软件，自动切换二、三维两个窗口，通过在三维窗口绘制地形图自动连接到二维地形编码库：

　　 (6)根据三维模型编绘的DLG成果，开展外业调绘及修补测工作，完成内业精编及地形图整饰，提交质量检查，对质检提出的问题进行整改，满足要求后提交成果数据。

　　2试验分析及应用

　　2.1 试验区概况

　　 本项目试验区为广州市2018年基础测绘项目更新测区，位于广州市天河区火炉山南侧，南至华观路，西至火炉山南路，东至高塘路，试验区面积约1. lkm2，测区内主要地形以自然村、山丘、农田、交通设施为主。

　　2.2外业实施

　　 本项目采用KWT-X6L六旋翼无人机，搭载五镜头倾斜系统云台，一台正射相机、四台前后左右各倾斜45。，五台相机同步工作，获取曝光时刻点的多角度影像信息。

　　 控制点布设按照相关规范要求，在测区范围内均匀布设地面控制点，利用广州市连续运行卫星定位城市测量综合服务系统( GZCORS)测量像控点坐标，通过广州市似大地水准面精化成果转换为广州市坐标系坐标，共布设及测量控制点32个。

　　为满足测图精度要求，本试验区航线设计航向重叠度设计为80%，旁向重叠度设计为80%．地面分辨率设计为2. 5cm，航高设计150m。测区共航摄3个架次，获取测区真彩色影像21850张，POS数据4370个。

　　2.3 空三与三维模型构建

　　 空三加密是倾斜影像建模的关键步骤，其精度直接影响建模成果精度，由于Smart3D Capture软件本身空三功能较弱，经常出现空三解算异常等情况，特别是大数据量、低重叠度等情况下，会出现解算点位飘移，导致空三加密失败，需多次迭代计算，严重影响建模效率。

　　 本试验采用GodWork空三软件，首先选取单架次航线中间部分下视影像进行空三解算，然后再对选取部分的下视和倾斜影像进行空三解算，推导出下视镜头和倾斜镜头之间的姿态参数，将该参数进行设置，然后再整体进行空三解算，有效提升空三解算效率和精度，空三解算后再输出Smart3D Capture软件格式的空三结果，进行后续的建模操作

　　2.4 地形图测制

　　 1：500DLG制作利用EPS2016三维测图平台进行，使立体测图与得到“图属合一”的GIS数据的工作目的同时达成，相比国内目前绝大多数的DLG生产流程更为高效、先进。

　　 (1)数据准备：准备实景三维模型成果数据 OSGB格式瓦片数据集、元数据文件，EPS软件进行数据格式转换：

　　 (2)立体采编：选择三维测图菜单，加载倾斜模型，软件自动划分三维模型窗口与二维平面窗口，实现二三维联动测图，按照三维模型实际能观测到的原则进行全要素采集，尽可能对可观测到的地物按照“内业定位、外业定性”的原则进行数字化跟踪：

　　 (3)补调及精编：由于测区建筑区集中分布，密度大，部分建筑间距过小，导致三维模型中无法观测到建筑底面及特征点位，部分区域植被密集遮挡情况比较严重，因此，需对内业粗编的地形图成果进行外业调绘及补测等工作，补测采用LiDAR点云、GPS、全站仪、测距离、卷尺等方式完成。内业人员根据调绘补测的数据，完成地形图成果精编及整饰，共测制1：500地形图成果30幅。

　　2.5精度评定及成果应用

　　 完成地形图成果后，根据工程测量规范及我院测绘成果质量检查与验收规定等相关要求，首先进行数学精度检查，为了保证成果精度，对本次航摄测绘的地形图成果精度进行外业检测，采用全站仪快速获取外业检查点的三维坐标数据，整个测区内施测平面坐标678个、高程检测点104个，利用中误差计算公式计算出各个检查点的中误差，依据计算结果可得，本试验区倾斜航摄测绘的1：500地形图精度满足相关规范及标准的要求，同时还对地形图成果的控制测量、地理精度、数据的完整性与正确性、其他附件质量等进行了检查，最终完成基于倾斜实景三维模型测图的地形图成果质量评定。

　　 在完成上述相关检查及质量评定后可知，本试验基于倾斜摄影测量技术的实景三维模型测绘大比例尺地形图成果精度及质量符合相关标准规范的要求。作业流程与传统模式相比有较大的简化，减轻了外业工作强度，提高了作业效率，并成功应用于我院2018年基础测绘更新项目中，为基础测绘项目的开展提供了新的技术方案。

　　3结束语

　　 本文基于无人机倾斜实景三维模型测绘大比例尺地形图生产应用，技术路线可行，试验证明成果精度和质量满足相关标准和规范的要求，劳动强度也较传统模式有大幅缩减，有效提高生产效率，缩短项目生产周期，加快了内、外业数据生产的一体化作业流程。满足了项目建设快速测绘的任务要求，为基础测绘及工程建设大比例尺地形图快速测绘提供了新的技术手段。

　　目前，该技术方法还存在受本身硬件设备限制较大，由于倾斜相机重量较大，搭载旋翼无人机导致续航时间大幅下降，效率有所降低；搭载固定翼无人机因安全性考虑，无法实现超低空飞行，故高分辨率影像获取受到一定的限制。同时，由于测区地形、地貌、植被等影响，使得该技术方法还存在一定的局限性，增大了外业调绘及修补测工作量，但是，随着技术的不断发展及相关研究的不断深入，将为推广低空无人机航摄技术的大比例尺地形图测绘提供有利条件。

　　               摘自《工程勘察》2020年第48卷第3期