基于倾斜摄影技术生产大比例尺地形图的方法探讨和分析

基于倾斜摄影技术生产大比例尺地形图的方法探讨和分析

任树广邓智勇  马建军 

中国工程物理研究院建筑设计院 四川省绵阳市 621900

摘要：利用低空航摄搭载多视角相机，构建倾斜实景三维模型，基于该模型提取地理信息数据并绘制地形图。相较于传统的工程测绘或其它方法，无人机倾斜摄影能捕捉到多视角的纹理信息，能较好地提取要素信息，由此制作的大比例尺地形图具备更高的实用价值。

关键词：倾斜摄影技术；测绘大比例尺地形图；方法；精度

1倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图概述

倾斜摄影技术是一种通过相机在飞行器上倾斜安装，根据不同的拍摄角度和位置获取地面影像数据的技术。近年来，倾斜摄影技术在测绘领域得到了广泛应用，其能够实现对地表立体形态进行准确、快速的获取。基于获取的多视角高分辨率影像构建的模型具有较强的三维感，能够较好反映地表细节和地貌特征，为地理信息要素提取提供了可靠支持。基于倾斜摄影技术进行大比例尺地形图生产时，首先需对测区进行飞行规划，确定相机的拍摄角度、路径及重叠率等，以保证获取到完整的地面影像等相关数据。结合地面控制点和曝光点位置姿态数据，进行配准、畸变纠正和融合等处理步骤，得到完整的倾斜实景三维模型。利用专业软件基于模型绘制地物、地貌要素，提取属性及高程信息等。

2地形图生产

2.1获取空间数据的相关技术

大量详尽的空间地理信息数据构成了不同比例尺地形图的基础要素，在目前的技术发展水平下，获取地形图要素的手段主要有：

(1) 基于工程测绘手段的实测。该手段主要使用专业测绘仪器采集要素的空间坐标数据，记录属性等相关信息。全站仪能够准确采集三维空间数据，尤其是在高程精确度上具有明显优势，在遮蔽区域确保地物空间信息准确性方面优势明显。与其他技术相比，使用全站仪测量在作业时间与劳动强度上消耗较大。GNSS-RTK同样适用于大比例尺地形图数据的获取，采集零散要素空间信息优势明显，但它在遮蔽严重区域存在卫星信号接收不良，导致获取的数据出现异常。

(2) 基于正射影像的绘制加工。大比例尺地形图一般基于低空航摄获取的高分辨率正射影像进行加工绘制，判别属性信息。但正射影像是二维数据，无法基于此绘制生产高程数据。一般需利用数字高程模型或实测等手段补测高程数据。

(3) 基于倾斜实景三维模型的绘制加工。倾斜实景三维模型是现实场景的数字三维孪生，因此可以切换不同视角进行地物、地貌绘制，极大提高了地物、地貌辨识的准确性，且可以快速获取特征点的高程数据。但需要注意的是遮蔽区域的地表数据无法获取。

(4) 基于三维点云的绘制加工。三维点云是用密集三维点表示要素信息，可以快速构建数字高程模型，生成等高线、高程点等高程数据，但地物属性信息辨识准确率不高。

以上各种获取地形图要素的手段各有优劣，且依赖于不同的产品成果。对于手段的选择还需结合所涉及区域的地物地貌复杂程度、工作量大小、作业限制等多重因素综合考量，亦多种手段结合开展。

2.2建立倾斜实景三维模型

倾斜实景三维模型不仅包含地貌构造、地表纹理，还包含地面的高程数据、建筑物和其他地物的空间位置信息等。在获取数据及建立三维模型的过程中，需要考虑到地形地貌的变化情况，如山脉、河流、道路等自然和人工地物的存在，特别要考虑到建筑物和其他立体物体的侧面数据及纹理信息的获取，从而为多视影像匹配建立模型增强更多的细节。同时还需通过像控点等方式加强多视影像的连结强度，赋予模型工程坐标系相关信息等。

2.3地形图绘制

地形图要素主要包含定位基础、水系、居民地及设施、交通、境界、地貌、植被与土质、注记等相关要素。基于倾斜实景三维模型绘制相关要素需结合高程信息进行识别、判断。用于地形图绘制的倾斜实景三维模型宜采取未修饰等影响空间信息提取的人工干预措施。绘制地形图满足《国家基本比例尺地图图式第1部分：1:500 1:1000 1:2000地形图图式》（GBT 20257.1-2017）的规定，以CASS11软件加载倾斜实景三维模型加工生产地形图为例。

2.3.1 地貌要素绘制

地貌要素主要包含等高线、高程注记点、等值线、自然地貌（陡崖、陡坎、斜坡、冲沟、坑穴等）及人工地貌等。

基于模型可以区域批量提取等高线、高程注记点等地貌要素，模型未表达地面信息的区域需后期修改，宜采取人工修补测或提取地貌特征点构建不规则三角格网（TIN），进而创建生成等高线。

图 1基于模型绘制等高线要素

对于需使用地貌符号表示的陡坎、斜坡等区域，还应辅助以等高线或坡度图予以判别，重点关注表现为等高线密集、坡度图颜色深的区域，重点检查坡度70°以上的陡峻地段，结合等高线或坡度图识别地貌的准确边界匹配自然或人工地貌符号表示。

图 2基于坡度图要素提取

2.3.2地物要素绘制

地物要素主要包含水系、居民地及设施、交通、植被与土质、注记等相关要素。线性地物要素绘制时需多视角转换，捕捉拐点或特征点绘制相应线条，小区域地物绘制完成后，调整至俯视模式复核，必要时旋转视角深度检查，同时注意不同地物线条的匹配关系。

图 3基于模型绘制地形图多要素

对于线性有垂直关系的地物要素的绘制，应使用约束关系或准确捕捉特征点。约束关系具体操作流程是：首先开启多点绘制模式，直角绘图约束，在第一条线段上绘制两点（建立一条基准线），余下连续的每条线段上任意捕捉一点，即可绘制垂直关系的线性地物；或者使用约束每边绘制两点确定线段，利用线段垂直相交确定。

图 4基于模型绘制特定线性要素

对于点状地物要素的绘制，贴近地面的，应使用俯视图将符号定位点捕捉至中心点，无法捕捉中心点的需转换视角，在离地较近的高度切准中心点。

图 5基于模型绘制点状地物要素

3绘制分析

倾斜摄影技术作为一种新型的测绘手段，具有非接触、获取快速、表达形象等特点，被广泛应用于测绘工作中。在进行大比例尺地形图的生产时，倾斜实景三维模型为地图制图提供了丰富的地物、地貌要素信息。

然而，基于倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的精度控制也是至关重要的，重要的衡量指标是空间位置精度和表达精度，控制重点在模型建立和提取要素的两个环节。应强化像控点约束模型建立，提高要素判别能力，加强经验总结和训练。基于倾斜摄影技术生产大比例尺地形图，通过经验的积累和控制手段的实施，经验丰富的人员已能完成地形图生产的较大一部分工作。但在遮蔽区域、非地面线性要素提取存在不确定性，可以基于多种成果互补生产，譬如点云数据。同时属性信息的赋予需谨慎或实地调汇复核。

图 6基于点云识别电力线连接关系

图 7基于点云识别建筑物轮廓

结论

基于倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图，给测绘生产方式和流程带来了较大的变革，扬长避短、多种手段互补提升测绘生产效率和表达效果。生产经验和多种成果互补的生产模式有待进一步总结和摸索，才能确保地形图数据的准确性和可靠性，为后续的测绘地理信息服务提供有力支持。

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