【摘要】隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)、激光雷達(dá)等新設(shè)備和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為數(shù)字化大比例尺地形圖測繪提供補(bǔ)充和優(yōu)化方案。論文以大比例尺地形圖測繪作為研究方向，分析無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)、激光雷達(dá)點(diǎn)云和農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)在成圖過程中的應(yīng)用，以無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)為重點(diǎn)進(jìn)行分析，以供參考。
【關(guān)鍵詞】傾斜攝影測量;大比例尺;地形圖
1引言
近年來，我國以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，搭載不同任務(wù)載荷獲取服務(wù)于地形圖測繪所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。無人機(jī)搭載五拼相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量，構(gòu)建三維模型可以準(zhǔn)確、快速地獲取房屋、大型水閘等構(gòu)筑物的三維立體模型，通過邊線采集，可以獲取高精度矢量數(shù)據(jù)。無人機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá)，獲取相關(guān)地區(qū)高密度雷達(dá)點(diǎn)云，通過點(diǎn)云連線即可獲取有效矢量數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)對(duì)植被具有一定的穿透能力，可以減少植被枝葉遮擋造成的信息失真，獲取林區(qū)的真實(shí)地形數(shù)據(jù)。而對(duì)于樹木遮擋嚴(yán)重的農(nóng)村區(qū)域，我們可以通過各地已經(jīng)完成的農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)登記測量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。近期安徽省第四測繪院綜合運(yùn)用以上相關(guān)技術(shù)完成了安徽省全椒縣的數(shù)字化大比例尺地形圖測繪，本文以此為例，展開研究。
2數(shù)字航空攝影測量地形圖航空攝影測量獲取航空影像是本項(xiàng)目的主要作業(yè)方式和數(shù)據(jù)來源。
3無人機(jī)傾斜攝影測量概述隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，特別是后處理軟件的逐漸成熟，傾斜攝影測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于房屋調(diào)查登記、文物保護(hù)、水利等領(lǐng)域，以無人機(jī)為依托，搭載五拼相機(jī)，合理設(shè)置拍照模式、分辨率、重疊度等相關(guān)參數(shù)，在保證安全的前提下，軟件自主控制飛行。飛機(jī)返航后，通過下載數(shù)據(jù)，人們可以獲取到1個(gè)下視和4個(gè)斜視的五視角照片，將獲取到的照片導(dǎo)入專業(yè)軟件進(jìn)行處理，通過計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)圖像信息進(jìn)行分析、處理結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)測量工作，得到高精度三維立體模型，最終完成高精度三維建模，生成空間三維模型。這也是一種地形反映方式，能夠精準(zhǔn)獲取地形、地物信息。
3.1意義傾斜攝影測量技術(shù)具有靈活、高效、低成本高精度等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)航測技術(shù)的一些不足。該項(xiàng)目前期航攝到內(nèi)業(yè)初步成圖歷經(jīng)數(shù)月，部分地區(qū)地形地貌發(fā)生較大變化，部分造型奇特的別墅區(qū)已建成，測區(qū)內(nèi)還分布有寺廟等古建筑，傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)很難準(zhǔn)確獲取此類建筑物的準(zhǔn)確空間信息，采用無人機(jī)傾斜攝影測量，制作建筑物三維模型、生成地形等高線、點(diǎn)，通過采集，可以起到補(bǔ)測作用，提高質(zhì)量和效率。
3.2優(yōu)點(diǎn)
3.2.1精度高基于傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三維模型，通過采集特征線獲取構(gòu)筑物的長寬及坐標(biāo)信息，精度為厘米級(jí)，完全符合國家大比例地形圖規(guī)范要求。
3.2.2效率高傾斜攝影測量技術(shù)使用商用無人機(jī)搭載相機(jī)可以快速采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的三維建模，節(jié)省測量時(shí)間，具有高效性。
4傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用流程為：飛前準(zhǔn)備→參數(shù)設(shè)置、航線設(shè)計(jì)→影像獲取→構(gòu)建三維模型→數(shù)據(jù)采集處理。針對(duì)大比例尺地形圖測繪技術(shù)要求，為有效提高該技術(shù)應(yīng)用合理性，操控人員需合理設(shè)置相機(jī)參數(shù)、航線重疊度以及飛行高度等主要參數(shù)，做到既不浪費(fèi)又滿足精度要求。
4.1飛前準(zhǔn)備①收集測區(qū)現(xiàn)有資料，包括已有地形資料、氣象數(shù)據(jù)、地磁環(huán)境信息等，并對(duì)資料仔細(xì)分析，最大化利用。②確認(rèn)測區(qū)是否位于軍事限制區(qū)或者是否存在敏感禁飛區(qū)，保證國家信息安全和航飛安全。③嚴(yán)格按照國家相關(guān)法律法規(guī)要求進(jìn)行空域申報(bào)和飛行報(bào)備。④為提高精度，可以在飛前制作像控點(diǎn)標(biāo)記并測取像控點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)。像控點(diǎn)是傾斜攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，因此，像控點(diǎn)位置選擇及指示點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度直接影響測量成果的精度[1]。像控測量的目的是保證空三精度、確定地物目標(biāo)在空間中的絕對(duì)位置，外業(yè)像控點(diǎn)測量要嚴(yán)格按照《航外規(guī)范》的要求，進(jìn)行人工野外測量。人工制作的像控標(biāo)志要設(shè)置于開闊無干擾地帶，標(biāo)志點(diǎn)要規(guī)范清晰、不易挪動(dòng)和遮擋，外業(yè)使用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)獲取平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)。
4.2參數(shù)設(shè)置、航線設(shè)計(jì)正確設(shè)定飛行器傳感器參數(shù)，根據(jù)要求設(shè)置地面分辨率、航高、重疊度、拍攝間隔等各項(xiàng)對(duì)質(zhì)量有重要影響的參數(shù)，使各項(xiàng)操作能夠始終保持較高的精準(zhǔn)度，在無人機(jī)起飛前，要做好調(diào)試，確保各單元運(yùn)行正常。此外，借助三維模型處理軟件，測量人員應(yīng)做好比例尺調(diào)試，確保整個(gè)數(shù)據(jù)處理工作體現(xiàn)出較高的時(shí)效性。
4.3影像獲取無人機(jī)自主飛行，各傳感器都是由軟件控制，搭載的相機(jī)自動(dòng)等距拍攝，在確定曝光點(diǎn)后，各個(gè)鏡頭以相應(yīng)的坐標(biāo)位置，在多視角基礎(chǔ)上，曝光拍攝獲取影像資料。飛行完成后，要及時(shí)下載照片數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等有用數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理。
4.4三維模型構(gòu)建
與傳統(tǒng)航空攝影測量相比，傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)量更大、重疊度更高，因此，其處理算法、流程也不同。目前，在傾斜攝影的處理過程中引入計(jì)算機(jī)視覺中的多視幾何原理，完成空中三角測量、模型重建等過程。鑒于傾斜攝影數(shù)據(jù)量巨大，全范圍一次進(jìn)行空三處理，十分耗時(shí)且硬件設(shè)備難以支撐，故而在空三建模時(shí)將測區(qū)劃分多個(gè)子區(qū)，以子區(qū)為單元使用多臺(tái)電腦集群運(yùn)算進(jìn)行空三處理和模型構(gòu)建，而后以控制點(diǎn)為紐帶進(jìn)行拼接，以此提高效率。
4.4.1空三加密和優(yōu)化
空中三角測量即空三加密，是傾斜攝影三維建模的核心，可有效實(shí)現(xiàn)傾斜影像處理恢復(fù)影像外方位元素?？罩腥菧y量的關(guān)鍵點(diǎn)是傾斜影像與正攝影像間的混合平差，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行，即以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的數(shù)學(xué)模型，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，使整體區(qū)域最佳地嵌入控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。需要注意的是，傾斜影像在空三加密過程中，要輸入像控信息并準(zhǔn)確刺點(diǎn)，確保傾斜影像的同名連接點(diǎn)能夠有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配。安徽省第四測繪院配有Smart3DCapture建模軟件，空三計(jì)算自動(dòng)完成，如果在結(jié)算過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，軟件會(huì)進(jìn)行相機(jī)參數(shù)和POS數(shù)據(jù)的同步檢查。經(jīng)過空三加密處理后，根據(jù)測量分析結(jié)果完成輸出工作。
4.4.2構(gòu)建三維模型
將影像導(dǎo)入Smart3DCapture，經(jīng)過同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，最終得到三維模型，即通過明確多視影像技術(shù)要點(diǎn)，經(jīng)過密集點(diǎn)云匹配、點(diǎn)云融合與構(gòu)網(wǎng)、無縫自動(dòng)紋理映射等步驟，實(shí)現(xiàn)三維模型自動(dòng)構(gòu)建。通過使用Smart3DCapture軟件以及傾斜攝影測量技術(shù)，在模型構(gòu)建方面，體現(xiàn)出較為明顯的有效性，在完成構(gòu)建后，模型具有較高的分辨率。
總體而言，三維模型構(gòu)建包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、影像數(shù)據(jù)處理、平差處理等流程。環(huán)節(jié)眾多并且相對(duì)復(fù)雜，因此，工作人員應(yīng)以傾斜攝影數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，確定相應(yīng)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，配合使用Smart3DCapture軟件，自動(dòng)構(gòu)建模型。在模型重建完成之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)有部分模型存在漏洞、破損的情況，通常存在于匾額、水域等位置。這些問題雖然不能對(duì)模型精度產(chǎn)生較大的影響，但是由于這些問題的存在會(huì)嚴(yán)重影響模型的視覺效果，因此，需要加以人工處理之后才能恢復(fù)原貌[2]。
4.5數(shù)據(jù)采集處理
以構(gòu)建好的三維模型作為基礎(chǔ)，使用EPS軟件通過不斷進(jìn)行視角切換，實(shí)現(xiàn)地物觀測，并且能夠進(jìn)一步采集到相應(yīng)的地貌要素。地物要素主要采集方式為人工完成，借助直線、垂線等相關(guān)工具，采集相關(guān)地物要素。以建筑物為例，建立在多視角基礎(chǔ)上，自動(dòng)識(shí)別建筑的所有邊緣部分，并進(jìn)一步構(gòu)建出初步輪廓，通過提取，可以獲取建筑物的準(zhǔn)確空間信息和線劃數(shù)據(jù)。地貌要素主要采集手段為三維信息處理，借助有效自動(dòng)化手段，提取出相關(guān)信息，包括等高線、高程點(diǎn)等。通過合理使用軟件，能夠自動(dòng)完成對(duì)相關(guān)地貌要素信息的收集。在準(zhǔn)確提取出相應(yīng)的等高線、高程線及邊線信息后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工綜合取舍。
另外，在整個(gè)采集工作過程中，部分房屋會(huì)存在嚴(yán)重遮擋情況，要及時(shí)予以相應(yīng)的處理。本項(xiàng)目采用套合使用農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)登記數(shù)據(jù)予以彌補(bǔ)。在這些區(qū)域農(nóng)村房地一體不動(dòng)產(chǎn)登記數(shù)據(jù)采用全站儀實(shí)測，數(shù)據(jù)精度更高。針對(duì)部分山地林區(qū)，本項(xiàng)目應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)，可有效保障地形、地貌采集效果。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是一種主動(dòng)式測繪地表空間信息的技術(shù)手段。通過主動(dòng)發(fā)射激光脈沖，獲取探測目標(biāo)反射回來的信號(hào)并處理得到地表目標(biāo)的空間信息。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢。機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)能夠部分穿透植物枝葉直達(dá)地表，能有效降低覆蓋影響導(dǎo)致的地表地形信息失真。
測繪論文范例：鐵路工程測繪技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究
5結(jié)論
傾斜攝影技術(shù)在各領(lǐng)域工作中發(fā)揮出了巨大的作用。我們以項(xiàng)目討論技術(shù)，最終用技術(shù)推動(dòng)了項(xiàng)目，充分利用新技術(shù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)為項(xiàng)目的順利完成打下基礎(chǔ)，多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用保證了本項(xiàng)目的順利完成?？臻g信息是我們接觸最多應(yīng)用最廣的信息，未來的測繪技術(shù)是空間大數(shù)據(jù)信息的高效獲取和多源數(shù)據(jù)的充分融合利用。
【參考文獻(xiàn)】
【1】CH/Z3004—2010低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S].
【2】譚仁春,李鵬鵬,文琳.無人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[J].測繪通報(bào),2016(S2):193-196.
作者：梁榮東
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