农村地籍测绘中倾斜摄影测量影响因素初探
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作者:陈廷钧
【摘 要】论文利用控制变量法，通过试验分析和测试相机倾角对模型质量的影响，地面分辨率、像控点布设方案等因素对倾斜摄影三维模型在地籍测绘应用中地物点精度的影响。相机倾角越大，建模的质量越好，地面分辨率与地物点精度成正相关，像控点数量与地物精度成正相关。当像控点以单倍航高至两倍航高之间的距离为格网间距均匀布设，地面分辨率优于2.0cm，可以满足地物点精度优于5cm，能够应用于地籍测绘以及大比例尺地形图测绘。
【Abstract】Using the control variable method， through experiments， this paper analyzes and measures the influence of the tilt angle of the camera on the model quality， and the influence of ground resolution， image control points layout scheme and other factors on the accuracy of ground object points in the application of tilt photography 3D model in cadastral surveying and mapping. The larger the camera angle is， the better the quality of modeling is. The ground resolution is positively correlated with the accuracy of ground object points， and the number of image control points is positively correlated with the accuracy of ground objects. When the image control points are evenly arranged with the distance between single flight height and double flight height as the grid spacing， the ground resolution is better than 2.0 cm， which can meet the requirements that the accuracy of ground object points is better than 5 cm， and can be applied to cadastral surveying and mapping and large-scale topographic map surveying and mapping.
【关键词】倾斜摄影;地面分辨率;像控点测量;精度分析;地籍测绘
【Keywords】tilt photography; ground resolution; image control point measurement; accuracy analysis; cadastral surveying and mapping
【中图分类号】P271;P231 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）10-0141-05
1 引言
倾斜摄影测量技术[1]是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项新技术，其主要通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，并建立地表三维模型，实现定位、量测等测绘功能。与传统的三维建模技术[2]及低空数字摄影测量技术[3]相比，斜摄影测量技术具有高精度、高动态、高效率、高精细等优点。董富强等[4]在小面积范围内研究论述了倾斜摄影测量技术在精细化建模中应用的可行性。喜文飞等[5]通过对困难地区的倾斜摄影测量技术应用，验证了倾斜攝影测量在数字测图方面的应用价值。莫寅[6]介绍了倾斜摄影技术在地形测绘应用中的流程及方法。马静等[7]论述了倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘应用的实施过程及其精度分析。张文静等[8]结合地籍测量的特点，进行了倾斜摄影测量在地籍测绘中应用的可行性分析。马银等[9]对倾斜摄影测量技术在地籍测量中的应用进行了精度验证，验证了倾斜摄影技术可应用于地籍测量。以上研究论述了倾斜摄影测量技术在地形测绘，尤其是大比例尺测绘和地籍测量中应用的可行性，并介绍了倾斜摄影在地籍测量的实施过程，但没有就如何达到地籍测量所需的精度进行分析。此外，目前市场上多镜头倾斜相机价格昂贵。为此，本文探索了非量测数码相机在倾斜摄影测量中应用的可行性，并利用控制变量法，测试和分析不同的地面分辨率及不同像控点布设方案两个主要因素对地籍测量精度的影响，并提出在实际生产中所需的经验值，为今后应用倾斜摄影技术实施地籍测绘提供参考，并指导作业。
2 倾斜摄影测量技术概述
2.1 倾斜摄影测量技术的原理特点
传统航空摄影测量（垂直摄影）的基本原理是根据摄影测量过程的几何反转思想，利用光学、机械、数字方法模拟摄影过程，以模拟恢复摄影时相邻两张相片的空间位置、姿态和相互关系，形成几何模型，并在此基础上进行量测。由于受光学和模拟立体测图仪器机械结构的限制，为满足相应的量测精度，需严格恢复照片的空间关系，因此，要求航空摄影时的飞机姿态和相机姿态尽可能保持垂直摄影的要求，对相机的畸变也有严格要求。 倾斜摄影测量技术的原理[10]是基于计算机视觉和影像匹配，通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息。由于计算机的相关技术发展以及倾斜摄影的技术特点，其量测精度更多的是与影像匹配、模型精度有关，对航空摄影时飞机和相机的姿态均没有特别要求，只需保证同一地物在三张以上的影像可视即可利用计算机视觉技术恢复其三维信息。
2.2 搭配索尼A5100相机的五镜头相机
当前，市场上多镜头倾斜相机价格昂贵，而倾斜摄影测量技术原理是基于计算机视觉与影像匹配技术获取地物的三维信息，模型的实现对飞机姿态及相机姿态没有特别要求。基于此，探索引入目前市场价格较亲民的索尼A5100相机，配置一个焦距25mm的垂直摄影相机与四个焦距为35mm的倾斜相机进行试验。
2.3 倾斜摄影测量技术的处理流程
倾斜摄影测量技术在地籍测绘中应用的技术流程与传统航空摄影测量相似，主要包含：测区踏勘制定方案、原始数据采集、三维建模模型采集、调绘补测、成图输出。具体流程如图1所示。
3 不同影响因素的精度分析
本次影响因素分析试验测区位于莆田市某乡村，面积约0.2km2。测区地势平坦，房屋密集，周边最高层建筑不超过50m，空域情况良好，具备不同航高测试飞行条件。为了给该乡村提供供调查使用的地籍地形图，本次测绘要求绘制该乡村的1∶500地形图。测区如图2所示。
3.1 非量测数码相机生成的模型质量分析
倾斜摄影实景三维模型的质量影响[11]主要表现在两个方面：模型纹理以及场景效果。结合CH/T 9024—2014《三维地理信息模型数据产品质量检查与验收》[12]相关规定对模型进行质量分析。详细检查内容如表1所示。
本次试验使用A5100配置的五镜头相机对测区进行航摄，经内业数据处理生产三维模型，利用人机交互方式对模型质量进行分析。检查结果如下：模型质量上，模型与现实较为符合，存在电力线的等细长条模型连贯性不足、河流水面出现破洞、高层建筑模型失真、房屋屋檐下方出现拉花等问题。场景效果上，模型接近现实，存在树木花草拉花较严重、模型出现悬浮点等问题。
上述问题皆为倾斜摄影三维模型的共性问题，利用非量测相机生产的模型质量与现实场景较为符合，能够反映现实场景的基本情况，其模型质量良好，能作为实际生产使用。在实际生产中，利用普通的非量测数码相机能够生产出质量良好的三维模型。
3.2 不同倾角对建模效果的影响
当在其他参数一致的情况下，相机的倾角越大，镜头的视场线与墙面的夹角越大，则镜头相对墙面越水平。在针对建筑物信息的采集时，能够采集更丰富的墙面信息，建立的模型效果也更好，纹理则更清晰。倾角与视场线、墙面夹角的关系如图3所示，红色表示倾角β1，蓝色表示倾角β2。由于相机的视场不变，当倾角增大时，影像所采集到的墙面信息更丰富，相反所采集到地面信息就会减少。为增加地面信息，则需要通过外扩航飞区以满足建模需求。
结合图3与表2对比可以看出当倾角增大时，影像所采集到的建筑细节更丰富，房檐拉花较小。理论上当相机倾角达到90°时，影像所获取到的建筑物信息最为丰富，建模效果最好。由于实际生产中，其他建筑物的遮挡，以及倾角增大带来航线外扩等问题的影响，一般倾斜相机普遍采用45°作为倾角，规划外扩一个航高距离的航线以进行实际作业。
3.3 不同像控点布设方案对地物精度的影响
根据倾斜摄影三维模型的特点，为了保障三维模型的绝对定向[13]精度，与传统的垂直摄影测量沿航线布设像控点的方案不同，倾斜摄影测量像控点的布设方案与航线数量及基线数量无关，一般采用“田”字形或者“日”字形均匀分布在测区范围内。理论上每个矩形区域只需要4个控制点即可完成绝对定向。考虑到非量测相机畸变以及实际测量的误差对精度的影响，本文分别测试了“田”字形布设、两倍航高距离为格网间距布设及单倍航高距离为格网间距布设三种布设方案对地物精度的影响。三种布设方案如图4所示。
像控点利用GPS-RTK测量技术进行测量，其主要精度指标如表3所示。
为了验证三种像控布设方案对地物点精度的影响，在测区均匀利用传统测量技术（GPS-RTK测量）均匀采集检查点。采用地面分辨率优于2cm的航摄成果，通过三维建模后，分析在不同像控点布设方案下的误差情況。精度验证结果如表4所示。
根据地籍测量要求平面中误差小于±5cm，因此，倾斜摄影测量技术应用于地籍测量时，其像控布设方案最好控制在单倍航高至两倍航高之间，一般不超过两倍航高间距。
3.4 不同地物分辨率（航高）对地物点精度的影响
本次试验配置的五镜头A5100相机皆采用定焦镜头，其中垂直镜头焦距f=25mm，倾斜镜头焦距f=35mm，像元大小a=0.0043mm。由式（1）可知，其他因素不变，决定分辨率为相对航高，为测试在5cm、3cm、2cm、1.5cm四种不同地面分辨率下地物点的误差情况，其对应航高分别为290m、174m、116m、87m，为控制由于不同像控点方案对精度的影响，本次试验采用以约100m为间距均匀布设像控点。经由不同的分辨率航摄照片分别进行建模，并与实际地物特征点全站仪实测进行比对，以验证其精度情况，如表5所示。
从表6可以得出，当地面分辨率达到2cm后，地物点的中误差已经可以满足地籍测量中误差小于±5cm的要求。当再提升地面分辨率至1.5cm，对地物点精度的提升有限，其原因在于像控点的采集主要采用GPS-RTK的方法进行采集，其所采集的像控点成果一般在平面±3cm，高程±5cm的精度范围。由于像控点本身精度原因对模型的精度造成限制。因此，倾斜摄影测量技术应用于地籍测量时，其地面分辨率最好控制在优于2cm，可达到其精度要求。 4 结语
本文利用大疆M600pro无人机搭配根据索尼A5100配置的五镜头相机，结合倾斜摄影测量的技术原理探索了利用普通的非量测相机进行倾斜摄影测量的可行性，对倾斜摄影测量的主要影响因素对地物点精度的影响进行了分析，得到了如下主要结论：
通过对索尼A5100配置的五镜头相机航摄生产的三维模型的质量分析，普通的非量测数码相机在实际生产中能建立质量良好的三维模型，能够应用在倾斜摄影测量三维模型的实际项目中;利用控制变量法，通过对实际测试的结果进行质量分析，相机镜头的倾角越大，获得的模型质量越好;地面分辨率与地物点精度成正相关;像控点数量与地物精度成正相关。
在地籍测绘中，当像控点以飞行单倍航高至两倍航高之间的距离为格网间距均匀布设，地面分辨率优于2.0cm，可以满足地物点精度优于5cm，因此，能够应用于地籍测绘以及大比例尺地形图测绘。
后续研究可更加深入地探讨其他因素对地物点精度的影响，如相机焦距对地物点精度的影响、相机校正参数对地物点精度的影响、飞机POS精度对地物点的影响、光线对模型质量以及地物精度的影响以及各项影响因素的影响权重等，提出准确有效的避免或者减轻各种影响因素的方法，如搭配差分POS系统以获取高精度POS等。
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