【技术】倾斜摄影和LiDAR技术融合在大比例尺地形图测绘中的应用

  ［摘 要］ 地形图传统测量方法费时费力。本文融合倾斜摄影与激光探测及测距系统技术，以抚州市比亚迪厂区地形图测绘项目为例，非房屋区域采用机载激光雷达航测技术，房屋区域采用倾斜摄影测量航测技术成图。最后通过外业采集检查点与内业测图成果进行精度对比分析。根据结果得出：该技术测绘成果平面与高程均能满足大比例尺测图的精度要求，而且能节约地形图制作时间及成本。

  数字线划图是国家基础地理信息数字成果主要组成部分［1］。大比例尺地形图包含重要的基础地理信息，在国土规划、工程项目施工测量以及房产测绘等方面应用广泛［2］。国内传统大比例尺地形图测绘方法一般都会采用全野外数字测图方式。但该方法外业工作量大，效率不高，而且需考虑卫星信号问题，在省界周边卫星信号较弱的地区影响较大，再者在建筑遮挡或植被茂密处也很难保证成果精度和作业效率［3］。

  倾斜摄影方法是一种新型测绘手段，已经大范围的应用于新型基础测绘工作。这种技术主要是通过三维建模再进行立体量测，获取所需信息应用于各行各业［4］。该方法效率高，可以获取高分辨率数据并且具有高真实性与可视化效果，而且成本低，但是该方法在地形起伏大、植被茂盛地区建模效果不理想，影响后续测图［5-9］。激光雷达（light detection and ranging，LiDAR）点云技术是一种主动式遥感技术方法，将激光器作为发射光源，采用光电探测技术方法，可以透过植被，直接采集地面数据，在植被茂盛地区可以高效率地采集地表数据［10-11］。

  本文结合倾斜摄影和LiDAR 点云两种技术，针对江西省抚州市比亚迪厂区二期地形图测绘项目，探讨了倾斜摄影和LiDAR 技术融合方法测图：非房屋区域采用机载激光雷达航测技术、房屋区域采用倾斜摄影测量航测技术成图方法，为后续同类型测制大比例尺地形图项目积累了工程实践经验。

  倾斜摄影测量方法是通过在同一飞行平台上搭载多个摄像头，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，结合飞行平台搭载的定位系统获取实时定位数据，辅助必要的地面控制点，对影像进行自动化处理，获取实景三维模型成果的先进的技术［12］。

  该技术对无人机起降场要求较低，飞行相对航高要求也较低，同时操作容易，设计的具体方案灵活，作业周期不长，机动性强，可大幅度的降低高额的三维建模成本。特别是针对农村房屋建筑，由于农村地区房屋普遍不高，大多为低层建筑，因此依据倾斜摄影方法建立的三维模型，能够清晰采集地形图中的房屋建筑等地物要素。但是在植被茂密地区由于常常会出现遮挡压盖情况，因此对地物判别存在较大影响。

  机载LiDAR 是一种全新的空间测量系统，它包含激光、全球定位系统和惯性导航系统，该系统一般由激光测距仪以及导航设备组成［13］。机载LiDAR 精度较高，因此用于地形图测绘可提升地形图测量数据精度，同时激光点云在植被茂密地区可以有明显效果地穿透植被层，获取真实的地表数据。但是激光点云精度过高，与其他遥感数据会产生融合困难的问题，且数据量大，成本较高。

  倾斜摄影测量方法获得的实景三维模型成果真实，且有着非常丰富的纹理信息；LiDAR 点云数据可实现高精度测量，依据点云成果选取的地形图地面高程信息更准确。鉴于上述两种方法各有利弊，考虑将两种技术进行融合，充分的发挥两种技术优势，可以有效控制生产所带来的成本，提升工作效率。因此考虑在房屋建筑物较集中的地区采用倾斜摄影测量手段成图，在植被茂盛地区采取了激光点云数据成图。倾斜模型空三后生成密集点云与LiDAR 点云数据融合后，生成新的三维模型，再结合三维制图软件强大的图形编辑处理功能，实现大比例尺地形图快速成图，减少大量的外业测量工作，提升工作效率，节约项目成本，满足行业需求。

  测区隶属于江西省抚州市临川区工业园区，地貌以丘陵为主，平原次之。内有农田、厂房、公路、建筑物等地物，测绘面积约10 km2，测区最低高程39 m，最高高程72 m。测区卫星影像概况如图1 所示。测区坐标系统采用CGCS2000 国家大地坐标系，高斯-克吕格投影，采用标准的3°分带，中央子午线国家高程基准；成图等高距1 m。

  倾斜摄影测量与LiDAR 点云结合测制大比例尺地形图主要步骤包括数据采集、数据处理、测图、精度检核等内容。具体流程如图2 所示。

  测区模型地面分辨率0.03 m，相对航高325 m；航向重叠度设计为75%、旁向重叠度设计为60%；航线 m，航线 km。采用大疆精灵系列无人机、机载激光雷达镜头、倾斜摄影五镜头相机等设备采集数据。

  本测区像片控制点拟采用网络实时动态差分法（global positioning system-real time kinematic，GPS-RTK）技术施测，正常的情况下均为平高点，用于空中三角测量解算。像片控制点按区域网布设，区域网之间的像片控制点应尽可能地选择在上、下航线重叠的中间，相邻区域网尽量公用。航线 航线 空三测量

  空三测量通过影像特征匹配算法提取连接点及地面控制点，获取每张影像的外方位元素和加密点的坐标，把整个测区纳入已知的坐标系统中，是摄影测量技术内业处理最关键的部分［4］。空三的质量直接影响到最终成果的精度。空三平差过程中应按照相应规范要求记录像点量测误差、相对定向误差、模型连接误差、大地定向后的定向点残差、多余控制点不符值、区域网内部公共点较差、区域网间公共点较差等，并估算内业加密点中误差。提供的基础控制成果在加密时应作为检查点进行检核，但不参与整网平差。区域网之间的公共点接边，平面和高程较差在符合规范要求时，取中数作为最后成果。

  为采集非房屋区域植被茂密地区真实地面高程，项目采用大疆精灵系列无人机搭载机载激光雷达镜头获取测区点云数据。同时配备华测t7 智能测量系统设备获取点云数据的原始定位信息，实现点云大地定向，通过检校后转换到正常高基准，再对点云进行滤波处理，将明显不是地面目标的点剔除，接着进行点云自动分类，从而分离出地面点，进而表示出不同地物，如植被与建筑物等。最后对高程突变的区域调整参数和算法，对点云成果重新进行小面积的精细分类。测区部分点云成果如图4所示。

  利用清华山维数字测图软件（Encapsulated PostScript，EPS）强大的三维数字化测图系统采集数字线划图，将倾斜三维模型与点云成果融合生成新的三维模型，如图5 所示，其格式为OSGB格式，将其成果转换为DSM 格式后，在EPS 软件中加载转化后的数据，并且以二维、三维联动方式来进行数字化采集，如图6 所示。依据GB/T 20257.1—2017［14］要求，采集地形图要素：水系、居民地及设施、交通、管线、地貌、植被与土质、注记等。图面采集完成后，需对各类注记、影像不能判别的地物等进行外业补调，将遗漏或表示错误的地物补全或更正。同时依据成图规范，对成果做综合取舍，正确地处理各要素逻辑关系，对图形进行整饰编辑，完成地形图制作。地形图成果如图7所示。

  实地查看三维模型的表达精细度与场景完整性，检查其结构与现实是否一致，模型表面纹理是否有拉花、缺失或变形的情况，水面是否平整等；各场景有无模型漏洞，是否有缺失。

  通过检查，融合机载激光点云与倾斜影像点云的三维模型建筑物结构信息完整准确，无纹理拉花及扭曲现象，特别是植被与桥底区域，模型完整，无缺失，三维模型质量较高。但是融合后的模型，数据量较大，建模时间更长。因此建模时，选择倾斜模型质量容易存在缺陷的区域融合点云数据来进行建模，可以轻松又有效地减少建模数据量，从而加快建模效率。3.2 DEM精度检测

  试验区为丘陵地区，坡度变化不大。因此选取了40个高程点进行实地检测，依据GB/T 18316—2008［15］中的检查要求对生成的DEM 成果进行高精度检测，结果见表1。

  经计算，DEM 成果检测精度为0.06 m，明显优于《基础地理信息数字成果1∶500 1∶1 000 1∶2 000数字高程模型》（CH/T 90082—2010）中规定的1∶1 000丘陵地高程中误差限差0.5 m要求。

  倾斜模型遮挡区域采集的地形图要素是地形图误差的大多数来自，因此，为了科学地评定地形图精度，外业通过RTK 搭配全站仪采集地形图的检查点，检查点选择时，共采集模型遮挡区域检查点30 个，非遮挡区域检查点50 个。所有检查点均选取在房屋角点、道路交叉点、独立地物或者其他特征地物点。对遮挡区域与非遮挡区域的地物点分别进行高精度检测，其结果如表2所示。

  经统计，遮挡区域中误差精度远高于国家标准要求，同时，非遮挡区域精度比遮挡区域精度更高，符合实际。将所有检查点一起参与精度综合评定，平面中误差为0.192 m，高程中误差为0.085 m，同样符合规范要求。因此，可以认为本文方法生产的地形图精度足够满足工程使用。4 结束语

  本文介绍了倾斜摄影技术与激光点云技术融合绘制大比例尺地形图的技术流程及关键技术，并实地采集检查点对地形图成果进行精度评定，形成了一套完整的生产体系。综合倾斜摄影房屋建筑区重建优势与LiDAR 穿透植被获取地面真实高程的优势，采用机载激光雷达航测技术绘制非房屋区域地形图，倾斜摄影测量航测技术绘制房屋区域地形图。该技术方法可行，精度符合标准要求，能够减少外业工作量，降低生产所带来的成本，为后续生产提供参考和借鉴。同时需注意航摄环境与设备选择对成果误差产生的影响，逐步的提升成图精度，降低人力成本。

  ［1］ 国家测绘局.基础地理信息数字成果1∶500 1∶1 000 1∶2 000数字线［S］.北京：测绘出版社，2010.

  ［2］ 徐思奇，黄先锋，张帆，等.倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用［J］.测绘通报，2018（2）：111-115.

  ［3］ 何敏，熊先才，李晓俊，等.倾斜摄影技术在丘陵山区大比例尺测图中的应用［J］.测绘通报，2021（2）：93-97.

  ［4］ 李清泉，邵成立，万剑华，等.优视摄影测量与泛在实景三维数据采集：以实景三维青岛为例［J］.武汉大学学报（信息科学版），2022，47（10）：1587-1597.

  ［5］ 周旺辉，蔡东健，刘景山.基于实景三维模型的1∶500地形图测绘的分析与应用［J］.测绘通报，2017（S2）：57-61.

  ［6］ 谢文军，张加粮.倾斜摄影实景三维建模的孔洞修复方法［J］.测绘通报，2022（12）：24-28，34.

  ［7］ 耿中元，任娜，李英成，等.倾斜摄影三维模型与大场景地形的融合算法［J］.测绘科学，2016，41（11）：108-113.

  ［8］ 谭仁春，鹏，文琳，等.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化［J］.测绘通报，2016（11）：39-42.

  ［9］ 林勇，李旭涛，吴崧源，等.固定翼无人机优于2cm 航测在地形测量中的应用［J］.测绘科学，2019，44（10）：196-204.

  ［10］ 郑瑜，潘成军.融合倾斜摄影和LiDAR 点云测制大比例尺地形图的应用［J］.测绘通报，2022（S2）：241-244.

  ［11］ 侯方国，刘欣，任秀波.无人机倾斜摄影与LiDAR 融合监测技术［J］.测绘通报，2022（11）：128-131.

  ［12］ 自然资源部.倾斜数字航空摄影作业规程：CH/T 3021—2018［S］.北京：测绘出版社，2019.

  ［15］ 国家测绘局.数字测绘成果质量检查与验收：GB/T 18316—2008［S］.北京：中国标准出版社，2008.

  引文格式：任苗，胡兵，刘璇.倾斜摄影和LiDAR 技术融合在大比例尺地形图测绘中的应用［J］.北京测绘，2023，37（9）：1248-1252.

  ［作者简介］任苗（1977—），女，江西南昌人，大学本科，高级工程师，研究方向为测绘成果质量检验。

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