基于垂直摄影生产大比例尺地形图的两种方式对比分析

王国仁

(中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队,宁夏 银川750000)

随着测绘技术的不断发展,无人机摄影测量在逐步取代传统测绘,成为目前主流生产4D 产品的作业方式[1]。随着河湖确权项目的开展,大量的数字线划图数据生产迫在眉睫。传统的生产数字线划图都是基于外业实测,效率低、成本高、周期长[2]。目前生产数字线划图主要是基于立体像对进行,然而对于无人机数据而言,由于其像幅小,视差大,采集效率也不高,立体采集对作业人员要求高[3]。随着倾斜摄影的出现,传统的立体采集慢慢的被实景三维模型裸眼采集所取代,但是三维模型建模效率低,对电脑配置需求高,也有一定的局限性。针对存在的问题,出现了基于垂直摄影的DOM 和DEM 叠加采集的作业方案,DOM提供平面位置坐标,DEM提供高程信息,从而得到数字线划图所需要采集的要素[4]。本文采用PIX4D 软件对带状垂直摄影采集的影像进行空三加密解算和正射影像生产,然后利用航天远景软件进行立体、裸眼采集,并对两种采集方式在硬件配置、工程恢复、易用性、效率和精度方面进行对比,对后续生产大比例尺地形图的同行具有一定的借鉴意义。

1 垂直摄影简介

1.1 垂直摄影原理介绍

垂直摄影是指在无人机飞行平台上搭载下视镜头,完成对地面物体影像的采集。

1.2 垂直摄影生产地形图的作业流程

主要包括数据预处理、空中三角测量、像控点转刺与平差、DEM生产、DOM 生产、DEM+DOM 建模,地形图采集和精度检测,具体见图1。

图1 垂直摄影生产地形图流程图

2 实例验证

2.1 数据源简介

本次实验数据来源于河湖确权项目,测区高差约300 米,呈带状走势,河湖两侧树木较多,但坡度基本上一直。在作业时,采用固定翼搭载2400w 像素非量测相机进行航摄,相机焦距35mm,采集影像地面分辨率为0.08 米,测区长约30 公里,布设像控点89 个,针针对实验部分,布设25 个检测点,对后续两种作业方式生产的地形图精度进行检测。

2.2 软件介绍

2.2.1 PIX4D 软件。PIX4D 是一款无人机摄影测量处理软件,可以通过空三加密解算,将航拍影像转换为2D 和3D 成果,具有操作简单、自动化程度高等特点。本次数据生产,使用该软件获得了高精度的空三加密成果和DSM、DOM成果。

2.2.2 MapMatrix 软件。MapMatrix 系统是基于航空、卫星遥感、外业等数据进行多源空间信息综合处理的平台。主要具有全/半自动影像内定向,相对定向和绝对定向功能,强大的矢量采集和编辑功能。在本次测试中,主要基于空三加密成果完成地形图的采集。

2.2.3 MapMatrix3D 软件。MapMatrix3D 图阵三维智能测图系统是基于倾斜建模数据的测量系统。该系统具备对OSGB 三维模型数据进行编辑、高精度智能测图等技术特点。该系统具备作业过程自动化、采编入库一体化、数据处理海量化等优势,可广泛地应用于基础测绘、城市规划、国土资源、军事测量、公路、铁路、水利、电力、能源、环保、农业、林业等众多应用领域。在本次测试中,主要基于DOM 和DEM 建模,然后进行地形图的采集。

2.3 两种测图方式对比

主要对硬件配置需求、工程恢复、易用性、效率和精度进行对比分析,并得出两种测图方式在各方面的优缺点。

2.3.1 硬件配置需求对比

两款软件对电脑配置需求见表1。

表1 两款软件对电脑配置需求表

通过表1 可以明显看到,传统立体采集对电脑的配置需求远高于目前主流的裸眼采集,在两种作业方式生产的成果满足规范的前提下,就硬件配置方面来说,采用裸眼采集支出的费用更少,更经济实惠。

2.3.2 工程恢复对比

MapMatrix 软件在对空三成果进行恢复的过程中,主要涉及到工程的创建、影像加载、相机数据导入、内定向、创建立体模型、相对定向、绝对定向、采集核线、数字化测图和DLG 成果输出。MapMatrix3D 软件在恢复工程的时候,主要包括工程创建、模型定向、DEM+DOM建模、数字化测图和DLG 成果输出。通过工程恢复对比可以看出,基于立体像对测图,工程恢复复杂,且极易出现问题,而基于模型测图,工程恢复简单,不易出现问题。

2.3.3 易用性对比

MapMatrix 是基于立体虚拟像对进行地形图采集,对操作人员业务技能要求很高。对于未接触过的人员来说,学习周期长、需要掌握并能生产符合要求的成果,基本上需要3 个月以上的学习和训练。MapMatrix3D 是基于裸眼立体采集,这种方式更符合人眼对地物的认知,对于多数作业人员来说,有CASS 操作基础,可以很容易掌握该款软件。由于是裸眼采集,不需要调节高程进行地面高程采集,操作更加方便。

2.3.4 效率对比

效率对比主要从采集环节和整个生产环节进行对比。

采集环节,是单指恢复工程后,对地形图进行采集。

整个环节,是指数据生产、恢复工程、完成采集任务整个过程。对于立体像对采集来说,包括空三加密解算、测图工程恢复和地形图采集三个环节的时间；对于裸眼测图来说,包括空三加密解算、DEM和DOM生产、测图工程恢复和地形图采集四个环节的时间。

由于测试具有不确定性,为了得到的数据更加可靠,本次测试安排5 个作业人员,分别用两种方式对同一范围的地形图进行采集,并对所用时间进行统计,统计结果见表2。

表2 不同采集作业方式下不同作业员各环节效率统计表

2.3.5 精度对比

利用25 个检测点,采用同精度检测的方式,对5 个作业人员采用两种方式生产的地形图精度进行检测,检测结果如下:采用立体像对测图,5 个作业员人员采集的地形图平面位置中误差分别为:0.354 米、0.367 米、0.385 米、0.346 米、0.356 米,高程位置中误差分别为0.451 米、0.502 米、0.489 米、0.458 米、0.512 米,采用裸眼测图,5 个作业员人员采集的地形图平面位置中误差分别为:0.364 米、0.379 米、0.405 米、0.365 米、0.365米,高程位置中误差分别为0.424 米、0.485 米、0.466 米、0.423米、0.494 米。通过对检测结果分析可知:立体像对测图平面精度要比裸眼测图精度高,但是高程精度略比裸眼测图精度差。结合1:1000 地形图生产规范要求可知,两种作业方式生产的地形图成果均满足规范要求,可采用两种方式生产1000 比例尺的数字线划图,也可结合两种测图方式的各自优势,获得更高精度的数字线划图成果。

2.3.6 对比汇总

对以上多方面对比结果汇总,汇总结果见表3。

表3 各项对比内容汇总表

3 结论

本文通过对两种测图方式在多方面的对比分析,得出两种测图方式的优缺点,根据其各自的优缺点,可以更加有效地提高地形图的成果精度,且提高生产效率。对以后采用相同方式生产数据的作业人员具有一定的借鉴意义。