基于倾斜摄影建模多技术融合的1∶500地形图测绘

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文章转载自微信公众号地理信息世界GeomaticsWorld，作者：张秋义1、王 笑2、王晓旭3、叶 梓4、秦海超2、周爱华4 ，版权归原作者及刊载媒体所有。

作 者 信 息

张秋义1，王 笑2，王晓旭3，叶 梓4，秦海超2，周爱华4

1.国家基础地理信息中心，北京 100830；2.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007；3.河北雄安新区管理委员会规划建设局，河北 雄安新区 071700；4.河北省地理信息集团有限公司，河北 石家庄 050031

【摘要】针对雄安新区快速测制1∶500地形图并同步生产多种地理信息产品的现实需求，本文结合平原和丘陵地区地貌特征，提出了一种将区域高程拟合、倾斜摄影测量、三维模型立体测图等技术方法融合的快速测图模式，以内业立体测图代替传统全野外测图。该模式在雄安新区1∶500地形图测制工作中得到了验证，地形图成果平面和高程精度优于12cm，提高近40%的作业效率，还可提供正射影像图、实景三维模型、高程拟合参数、二维实体成果等多种地理信息产品。

【关键词】1∶500地形图测绘；区域高程拟合；倾斜摄影测量；三维模型立体测图

【中图分类号】P2

【文献标识码】A

【文章编号】1672-1586（2022）03-0013-05

引文格式：张秋义，王 笑，王晓旭，等.基于倾斜摄影建模多技术融合的1∶500地形图测绘[J].地理信息世界,2022,29(3):13-17.

正文

0  引  言

随着雄安新区“1+4+26”规划体系逐步建立，城市规划设计、大规模开工建设以及征迁安置等对大比例尺地形图尤其是1∶500地形图，以及实景三维模型、高分辨率真正射影像图等产品的需求日益急迫。如何将传统测图方法与新技术融合，确保地形图成果精度的同时，提高测图效率、降低测图成本、丰富成果的多样性，成为测绘地理信息工作支撑服务“千年大计，国家大事” 面临的重要课题。

传统的城市大比例尺地形图测绘主要是采用全站仪或GNSS RTK进行全野外数字测图方式。采用全站仪全野外数字测图外业工作强度较大、作业效率较低；采用GNSS RTK全野外数字测图，由于GNSS信号失锁等原因，在建筑房角或植被茂密处难以保证成果精度和作业效率。固定翼航测法虽然在作业效率上比全野外数字测图方式有较大提高，但对飞行场地和飞机的稳定性要求较高，后期仍需要大量外业调绘工作，获取实景三维模型的难度较大，一般适用于大范围中小比例尺测图。以上传统测图方式均存在测图成果单一的问题。

近年来，利用旋翼无人机倾斜摄影测量技术获取实景三维模型进行测图的方法在大比例尺测图中得到了一些应用，但像控点位布设工作量大、高程精度难以达到要求等仍是制约这一方法广泛应用的重要因素。本文针对雄安新区快速测制1 ∶ 500地形图并同步生产多种地理信息产品的紧迫需求，结合测区平原和丘陵地貌特征，提出了一种将区域高程拟合、倾斜摄影测量、实景三维模型立体测图等技术方法融合的快速测图模式。

1  模式设计

1.1  技术路线

如图1所示，首先根据测区内部地形情况、建筑密度、植被覆盖和已知高等级水准点分布等情况进行分区设计，以提高分区高程拟合参数计算、外业航飞和少量全野外数字测图等后续工作的针对性和有效性；然后开展控制测量，采用高程拟合方式建立总体高程异常模型和各区域高程拟合模型，大幅度提高倾斜摄影测量像控点高程数据的精度和可靠度；最后进行旋翼无人机倾斜摄影测量和实景三维模型的立体测图，在植被对建筑物覆盖较多的情况下，辅以必要的全野外数字测图，生产多种类型的地理信息产品。

图 1 多技术方法融合三维模型立体测图模式

Fig.1 3D model stereo mapping mode based on integration of multi-technical methods

1.2  主要流程

1）分区设计。按照建筑密度、主要地物分布的不同，对测区进行分解细化，在保证成果精度和作业效率的前提下，优化不同测区外业航摄策略。

2）控制测量。采用网络RTK技术对测区内像控点进行观测，然后建立区域高程拟合模型，计算各分区的高程异常参数，对像控点高程进行联合解算，得到纠正约束后的高程数据，提升像控点精度。

3）旋翼无人机倾斜摄影建模。通过公式计算、实地测试等方式确定合适的航高、重叠率、分辨率等指标，在内业阶段将精度提升后的像控点坐标、航拍影像利用专业的实景三维模型制作软件进行联合空三，进一步提高实景三维模型精度。

4）实景三维模型立体测图。将实景三维模型加载到专业数字线画图软件中，采取特征点采集法、五点绘房法、采集墙面法、TIN网辅助绘图等方法进行地形图绘制，对无法确定、存疑的地形要素进行外业调绘补测。

2  关键技术与方法

分区高程拟合参数获取、旋翼无人机倾斜摄影建模和实景三维模型立体测图是多技术方法融合三维模型立体测图模式的关键技术方法。由于实景三维模型的精度决定了测图成果精度，提高GNSS高程转换为正常高的精度是测图模式要解决的核心问题，采取区域高程拟合方法能够有效提高像控点精度，从而大大提高实景三维模型的精度。

2.1  分区高程拟合参数计算

在航飞作业前，通过高程拟合方式建立不同分区高程拟合模型，充分利用分区内高精度水准控制网成果，通过水准点的正常高和GNSS高程进行曲面拟合，计算各分区高程拟合参数。考虑到测区面积较大、地形起伏因素，为提高测量精度，采取分区确定高程拟合参数的方式。

1）高程异常模型的技术要求。保证每个区域内参与计算控制点数在10个以上，高程点间距不超过5km，且控制点在测区范围内均匀分布并覆盖测区全境，相邻区域均有两个以上公共控制点参与计算。

2）高程异常模型的建立方法。目前常用的高程拟合模型主要有单点拟合法、等值线图示法、线性拟合模型法、曲面拟合法。曲面拟合法又分为多项式曲面拟合法、平面及平面相关拟合法、移动曲面拟合法。多项式曲面拟合法一般适用于地势比较平坦的地区，如地势比较复杂，需要加入地形改正值。平原和丘陵地区地势较为平坦，测区内控制点整体覆盖范围比较好的情况下，可采取分区域、使用多项式曲面拟合法建立高程异常模型。

3）分区高程拟合参数的计算流程。分区高程拟合参数通过图2的计算流程获得。将分区内相应数量的已知高等级水准点的WGS-84大地坐标和大地高、CGCS2000平面坐标和正常高高程，通过多项式曲面拟合法，利用专业软件计算求得。

图 2 分区高程拟合参数的计算流程

Fig.2 Calculation flow of zone elevation fitting parameters

4）分区高程拟合模型检验。为保证区域高程拟合参数的准确性，需要根据测区高等级平面控制点和高等级水准点，分别进行模型内符合性检验和模型外符合性检验。首先采用高程异常模型测量参与模型计算的控制点高程异常值，评估控制点精度及模型算法的正确性，进行模型内符合性检验；然后再采用未参与高程异常模型计算的高程异常点作为检测点，用模型计算的高程异常值与实测高程异常不符值中误差，评估高程拟合模型的精度，进行模型外符合性检验。

2.2  旋翼无人机倾斜摄影

旋翼无人机倾斜摄影测量通过平台上搭载的多个高清相机和传感器，快速获取测区多角度影像，并与摄影瞬间位姿信息融合，生成实景三维模型，为保证模型精度需要确定适宜的航高和像控点密度等。

1）根据地面分辨率确定适宜的航高。影响倾斜摄影测量精度的参数除摄影系统和影像重叠度分辨率外，主要是航高和像控点的布设密度。航高计算公式如下：

式中，H为摄影航高；f为物镜焦距；GSD为航摄影像地面分辨率；a为像元尺寸。地面分辨率由测图比例尺根据航空摄影测量规范确定。按照地面分辨率为2cm的精度计算，相机焦距为25mm，像元大小为3.9um，则航高不能高于128.2m，综合考虑精度和作业效率，航高设置为90～125m为宜。

2）确定合适的像控点布设密度。像控点布设密度是影响模型精度的重要因素，综合考虑测区地形条件和成果精度要求，对于地势较为平坦的地区，像控点密度宜布设在160～220m之间，对地势起伏较大，地貌复杂的地区，可加密到100～180m。

2.3  三维模型立体测图

利用倾斜摄影测量建立的实景三维模型，已成为一种重要的基础测绘数据生产方式。目前国内已经发布多款较为成熟的软件，基本原理都是捕捉实景三维模型上的坐标、线段走向、编码等信息构造用户需要的地理实体，再通过人机交互采集生成不同类型的基础地理信息要素（图3）。

图 3 三维模型立体采集制图流程

Fig.3 Mapping process of real scene 3D model

基于实景三维模型进行地形要素矢量化编辑，作业人员不必戴立体观测眼镜采集成图，可以在二维和三维窗口间自由切换，有利于选择清晰的特征点及最佳作业视角，减少坐标采集出现飘移的情况。这种作业方法降低了矢量数据采集的工作强度和专业性要求，省去了大量外业调绘，能够有效提高数据生产效率，特别是房檐改正类的测量工作，为快速制作大比例尺地形图提供了便利条件。然而，对于建筑物被植被部分覆盖或全部覆盖等无人机倾斜摄影难以解决的现实情况，仍需要全野外数字测图的方式进行补测，补测地物的图形及交会尺寸按实地尺寸标注。

3  应用验证和分析

本文通过雄安新区100余平方千米1:500地形图测绘任务进行了验证。测区内西北较高，东南略低，海拔标高7～19m，自然纵坡千分之一左右。

3.1  高程拟合与精度验证

根据测区周边GNSS-C级平面及三等水准点分布情况，按照东区、北区、南区3个区域（图4）分别进行高程拟合，建立高程异常模型。在拟合过程中北区使用11个控制点、南区使用10个控制点、东区使用16个控制点，按照曲面拟合方法参与高程拟合计算，模型内符合中误差分别为2.8cm、1.6cm、1.9cm，满足技术设计及规范要求的小于3cm。

分别利用3个区域模型覆盖范围内、外的11个、6个、7个未参与高程拟合的水准点进行核验，模型外符合中误差结果分别为2.5cm、2.4cm、1.8cm，均满足技术设计及规范要求的小于5cm。

图 4 高程拟合分区示意图

Fig.4 Schematic diagram of coordinate conversion zoning

3.2  航摄参数选取和三维建模

制定分区分策航飞方案，依据不同区域特点进行外业航飞。

1）像控点布设及航摄。根据分区分策原则，采用区域网布设像控点方案，约180～200m布设一个像控点，使用河北省连续运行卫星定位综合服务系统(CORS)网络 RTK 方式进行像控点坐标和高程观测。选用经纬M300 RTK无人机飞行平台，加载赛尔PSDK 102S倾斜摄影测量系统。关键航摄参数包括：地面分辨率优于2cm，航高设置96～120m，旁向重叠度80%，航向重叠度80%。

2）实景三维模型生产。使用ContextCapture Master软件，进行实景三维模型制作。由于测区范围较大，计算任务量重，所以将整个航摄区划分成不同的单元分块处理，实景三维模型制作完成后进行精度验证，验证合格的模型可输出，作为立体测图基础数据。模型成果如图5所示。

图 5 局部实景三维模型成果图

Fig.5 Local real 3D model results

3.3  三维立体测图和成果

使用三维立体数据采集软件，先内业采集、后外业调绘、再内业编辑的方式进行基础测绘生产。相比传统人工测图方式，同步提供了分辨率为1.5cm的实景三维模型、高分辨率的真正射影像图、二维实体成果（图6）。

图 6 三维模型数据采集Fig.6 Three-dimensional data acquisition

3.4  成果精度和作业效率

通过在每个区域选取约10%的地物特征点，比较其点位中误差和高程中误差的方式可验证整体精度是否达到规范要求。本文采用全野外数字成图法和三维模型立体测图法分别对平面位置精度和高程精度进行验证比较，经第三方质检，平面位置中误差在5～12cm范围内，高程中误差在3～8cm范围内，样本优良品率99%，成果质量等级为优。

传统的全野外数据采集法和调绘是一项外业劳动强度高，作业效率低的工作，多技术融合三维模型立体测图模式可将全野外数据采集方法的大部分外业转移到内业完成。按10个工作组计，每个小组传统的全野外数据采集和调绘每天约 0.15km²，按100km²工作量，10个工作组共需 67 天完成任务；而多技术融合三维模型立体测图模式可将10个小组分为像控布设和航飞两个组，内业采集 6 个组，调绘两个组，共计46天完成。据此测算，作业效率提升约40%。

雄安新区1∶500地形图测绘实际作业，对建筑物角点、道路边线等地物被茂密植被覆盖或遮挡等情况，在外业调绘阶段采取全野外数字测图的方式进行了补测。

4  结  论

本文提出将区域高程拟合、倾斜摄影测量、三维模型立体测图等技术方法融合的快速测图模式，适应雄安新区平原和丘陵地貌特征，满足了雄安新区快速测制1:500地形图并同步生产多种地理信息产品的现实紧迫需求。

研究结果表明，在平原和丘陵地区采用快速测图模式进行1:500地形图测绘，成果的平面和高程精度均优于12cm，作业效率提升约40%，还可提供正射影像图、实景三维模型、区域水准拟合参数和二维实体成果等多种地理信息产品。

基于倾斜摄影建模多技术融合进行大比例尺地形图测绘，在提高作业效率和丰富地理信息产品等方面具有明显优势，具有可观的推广应用前景。但是，在实际工作中仍需要综合考虑测区基础地形、地物被遮蔽程度等现实情况，通过合理安排全野外数字测图方式加以补充，确保成果精度和可靠性。

作者简介：张秋义（1978―），男，吉林吉林人，高级工程师，硕士，主要从事测绘地理信息工程技术管理及标准化工作

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