第一次全國地理國情普查外業(yè)核查全景影像采集系統(tǒng)研究與應(yīng)用

計(jì)春祥，易 志，張 禾，曹 揚(yáng)

(貴州省第二測繪院，貴州 貴陽 550004)

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第一次全國地理國情普查外業(yè)核查全景影像采集系統(tǒng)研究與應(yīng)用

計(jì)春祥，易 志，張 禾，曹 揚(yáng)

(貴州省第二測繪院，貴州 貴陽 550004)

結(jié)合第一次全國地理國情普查在貴州山區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的特點(diǎn)，利用自行研究設(shè)計(jì)的地理國情普查外業(yè)核查全景影像采集系統(tǒng)，大量、快速地獲取了用于地理國情普查外業(yè)核查的全景影像數(shù)據(jù)，為外業(yè)核查作業(yè)人員提供了真實(shí)可靠的影像參考資料，將部分外業(yè)工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)完成，減少了外業(yè)工作量，節(jié)省了人力物力，提升了外業(yè)核查的工作效率，生產(chǎn)出了符合國家規(guī)范要求的成果數(shù)據(jù)。

第一次全國地理國情普查；全景影像；外業(yè)核查

一、引 言

為全面掌握我國地理國情現(xiàn)狀，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的需要，國務(wù)院決定于2013—2015年開展第一次全國地理國情普查。地理國情普查是一項(xiàng)重大的國情國力調(diào)查，是全面獲取地理國情信息的重要手段，是掌握地表自然、生態(tài)及人類活動(dòng)基本情況的基礎(chǔ)性工作，主要包括高分辨率數(shù)字正射衛(wèi)星遙感影像生產(chǎn)、地表覆蓋地理要素采集、外業(yè)核查調(diào)繪、內(nèi)業(yè)整理與質(zhì)量檢查、普查本底數(shù)據(jù)庫建設(shè)等內(nèi)容。普查的目的是查清我國自然和人文地理要素的現(xiàn)狀和空間分布情況，為開展常態(tài)化地理國情監(jiān)測奠定基礎(chǔ)，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的需要，提高地理國情信息對(duì)政府、企業(yè)和公眾的服務(wù)能力。

二、生產(chǎn)中存在的問題

本文以貴州省為研究區(qū)。貴州省多是山地和高山地的特殊山區(qū)，地形起伏較大，植被覆蓋度高且種類混雜，因此其地理國情普查工作存在許多問題。具體體現(xiàn)如下:

1) 用于解譯的衛(wèi)星遙感影像拍攝時(shí)間為冬季，內(nèi)業(yè)解譯判譯難度大，同譜異物情況較多。根據(jù)貴州省第一次全國地理國情普查已經(jīng)開展的試點(diǎn)工作及試生產(chǎn)的區(qū)縣情況來看，很多外業(yè)核查技術(shù)人員需要多次反復(fù)仔細(xì)甄別、調(diào)查核查，且不能完全分辨清楚,既浪費(fèi)時(shí)間，又難以保證核查成果的準(zhǔn)確性。

2) 貴州地形起伏大，植被多樣混雜，解譯過程產(chǎn)生的圖斑數(shù)量多，給外業(yè)核查工作帶來了巨大的工作量，全省生產(chǎn)進(jìn)度緩慢。

3) 第一次全國地理國情普查是一項(xiàng)全新的工作，要求高、內(nèi)容全、難度大、時(shí)間緊，很多作業(yè)員都是通過短期的培訓(xùn)后就投入到工作中，因此外業(yè)核查作業(yè)人員技術(shù)參差不齊，質(zhì)量難達(dá)合格。

4) 貴州天氣多陰雨、多霧，工作時(shí)間受天氣限制，外業(yè)核查的有效時(shí)間較短，給實(shí)際生產(chǎn)帶來了很大的難度。

5) 貴州山高、路遠(yuǎn)、交通不發(fā)達(dá)，外業(yè)核查工作人員全憑雙腳走到看到，外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。

因此，如何在地理國情普查生產(chǎn)尤其是外業(yè)核查工作中提升工作效率，提高質(zhì)量、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度是一個(gè)值得深入研究和探討的課題。針對(duì)此課題，本文作了一些研究和探索，并進(jìn)行了一定的試驗(yàn)測試與驗(yàn)證，期望可以為貴州省甚至全國地理國情普查工作提供一些新的解決方法和思路。

三、研究思路與關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)旨在利用低成本的軟硬件，結(jié)合GPS、IMU技術(shù)，為外業(yè)核查技術(shù)人員大批量、快速地獲取測區(qū)實(shí)地的全景相片提供參考資料，盡量減少外業(yè)工作量，將部分外業(yè)工作轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)，提高外業(yè)調(diào)繪核查工序的效率，盡可能地節(jié)省人力物力，從而提升工作效率，并得到符合國家規(guī)范要求的成果數(shù)據(jù)。

1.設(shè)計(jì)思路

利用民用的高分辨率運(yùn)動(dòng)相機(jī)和GPS，配合改裝后具有增強(qiáng)穩(wěn)定性支架的車輛，沿著核查區(qū)域各道路，快速間隔采集多方位的實(shí)景相片，通過處理采集過程記錄的GPS信息及姿態(tài)信息，形成以間隔拍攝曝光點(diǎn)為軌跡的外業(yè)核查全景影像樣本點(diǎn)資料，將其應(yīng)用到內(nèi)業(yè)，在數(shù)字正射影像上結(jié)合拍攝的地表覆蓋與地理要素實(shí)景情況，開展地理國情普查數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)解譯與外業(yè)核查工作，在相片拍攝死角區(qū)域配合少量的外業(yè)補(bǔ)充核查工作，從而提高地理國情普查的內(nèi)外業(yè)生產(chǎn)效率。

2.技術(shù)流程

1) 準(zhǔn)備階段：車輛、相機(jī)、計(jì)算機(jī)、車載支架等設(shè)備的準(zhǔn)備，試驗(yàn)測區(qū)與采集線路的選取與設(shè)計(jì)。

2) 采集階段：多方向相片數(shù)據(jù)采集、相片拍攝曝光點(diǎn)GPS信息采集、相片拍攝曝光點(diǎn)姿態(tài)信息采集。

3) 處理階段：全景相片數(shù)據(jù)整理、分析與生產(chǎn)，匹配曝光點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)信息，形成一一對(duì)應(yīng)的全景影像及曝光點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)成果。

4) 應(yīng)用階段：將全景相片成果及曝光點(diǎn)軌跡數(shù)據(jù)成果導(dǎo)入地理國情普查生產(chǎn)流程與軟件中，在內(nèi)業(yè)結(jié)合全景影像資料進(jìn)行外業(yè)核查工作；部分全景影像無法處理的區(qū)域輔助少量外業(yè)進(jìn)行補(bǔ)充核查，形成最終的地理國情普查成果。

3.關(guān)鍵技術(shù)

(1) 多方位相機(jī)同步拍攝技術(shù)

通過研究和測試，采用同時(shí)可與多個(gè)相機(jī)配對(duì)的同步控制器，統(tǒng)一設(shè)置相機(jī)系統(tǒng)時(shí)間，確保各個(gè)方向相機(jī)拍攝的同步性，從而解決和保證同一曝光點(diǎn)各個(gè)方向的相片拍攝時(shí)間的一致性，確保拼接的外業(yè)全景相片的質(zhì)量。

(2) 拍攝曝光點(diǎn)與GPS、IMU準(zhǔn)確匹配

相機(jī)拍攝本身不帶有定位和姿態(tài)信息，因此通過隨車放置的外置GPS及IMU傳感器等設(shè)備，獲取至少以1 s為時(shí)間間隔的GPS與IMU信息，并與拍攝曝光點(diǎn)匹配，形成具有定位和姿態(tài)信息的外業(yè)全景影像數(shù)據(jù)。

(3) 全景相片的快速批量生產(chǎn)

按貴州路況驗(yàn)證，車輛以20 km/h的速度每天進(jìn)行7 h的采集，單天采集數(shù)據(jù)約140 km，至少有5000多組全景樣本點(diǎn)，快速高效地將大量的全景影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)出來，并投入到實(shí)際生產(chǎn)中，才能確保地理國情普查內(nèi)外業(yè)生產(chǎn)效率的提高。

(4) 嵌入地理國情普查內(nèi)業(yè)生產(chǎn)、外業(yè)核查、質(zhì)量檢查工序

通過與地理國情普查內(nèi)外業(yè)生產(chǎn)軟件相結(jié)合，開發(fā)出一套將全景樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)嵌入內(nèi)業(yè)生產(chǎn)、外業(yè)核查、質(zhì)量檢查使用的集成交互模塊，真正切實(shí)有效地完成地理國情普查工作。

(5) 解譯樣本數(shù)據(jù)生產(chǎn)

利用該系統(tǒng)采集到的大量實(shí)景相片樣本數(shù)據(jù)，通過處理完成基于采集相片的遙感影像解譯樣本數(shù)據(jù)的生產(chǎn)工作。

4.系統(tǒng)軟硬件設(shè)備構(gòu)成

系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是成本低，除去單位可以整合進(jìn)系統(tǒng)的車輛、計(jì)算機(jī)、技術(shù)人員外，需要額外購置和制作的僅是4臺(tái)高分辨率運(yùn)動(dòng)相機(jī)、4張存儲(chǔ)卡、改裝車載支架、電源線、螺釘,以及自主開發(fā)批量自動(dòng)分組匹配程序等設(shè)備，總成本目前控制在14 000元左右。系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)備構(gòu)成見表1。

表1 系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成表

以試生產(chǎn)縣雷山縣為例，該縣核查線路約2103 km，利用采集系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。消耗為系統(tǒng)設(shè)備購置費(fèi)用、部分車輛燃油、部分食宿等費(fèi)用；工作完成情況為采集處理8人用10 d完成，內(nèi)業(yè)核查加上外業(yè)補(bǔ)充16人用30 d完成，共消耗約8.5萬元。而采用傳統(tǒng)方式的外業(yè)核查方法，工作消耗主要為車輛燃油、食宿等費(fèi)用，16人約兩個(gè)多月完成，共消耗費(fèi)用約為21.4萬元。

四、試驗(yàn)情況

1.全景樣本點(diǎn)采集與處理效率

試驗(yàn)內(nèi)容為通過外業(yè)調(diào)繪核查全景影像采集系統(tǒng)采集高清相片，處理后生產(chǎn)成帶有GPS定位信息的、可快速瀏覽的全景影像數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測區(qū)為劍河縣柳川鎮(zhèn)、久仰鄉(xiāng)、太擁鎮(zhèn)，采集3 d，采集里程約300 km。具體采集與處理效率見表2。

表2 試驗(yàn)采集處理信息統(tǒng)計(jì)表

2.全景樣本點(diǎn)用于地理國情普查生產(chǎn)的效率

試驗(yàn)路線選擇為可通車道路，數(shù)據(jù)采集與處理完成后，轉(zhuǎn)到內(nèi)業(yè)對(duì)地物分類進(jìn)行核查判讀，通過生產(chǎn)部門的測試，按照標(biāo)準(zhǔn)1∶1萬分幅為生產(chǎn)單元，分類圖斑核查率可達(dá)到80%以上，平均判讀正確率可達(dá)85%，甚至可超過95%。

傳統(tǒng)外業(yè)核查與車載采集系統(tǒng)核查詳細(xì)對(duì)比情況見表3。

表3 作業(yè)方式效率與消耗對(duì)比情況表(以雷山縣為例)

五、技術(shù)驗(yàn)證與總結(jié)

結(jié)合該系統(tǒng)在內(nèi)業(yè)解譯及外業(yè)核查的實(shí)際工作情況，系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要為：

1) 效率高：在地理國情普查工作中減少了外業(yè)工作量，有效提升地理國情普查的外業(yè)效率50%以上。

2) 質(zhì)量高：系統(tǒng)采集的全景相片信息時(shí)效新、真實(shí)可靠，保證了核查成果的總體質(zhì)量，減少了人為質(zhì)量因素。

3) 穩(wěn)定性強(qiáng)：與GPS結(jié)合后的高清全景相片可被外業(yè)核查、內(nèi)業(yè)采集重復(fù)利用、反復(fù)核對(duì)，保證了核查成果的穩(wěn)定性。

4) 成本低：系統(tǒng)成本低，操作簡單，性價(jià)比極高，同時(shí)可用于解譯樣本采集及其他測繪地理信息應(yīng)用方面。

通過此次試驗(yàn)，在數(shù)據(jù)處理和內(nèi)業(yè)判讀地物時(shí)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)還存在一些可進(jìn)一步提升和改進(jìn)的地方：

1) 拍攝相片分辨率還有提升的空間，可以選擇更高分辨率的移動(dòng)相機(jī)或?qū)I(yè)的微單相機(jī)，提高全景相片的分辨率。

2) 拍攝時(shí)存在拍攝死角，會(huì)被道路兩旁行樹、房屋、護(hù)坡、高坎等遮擋，可考慮增加相機(jī)，形成上下左右360°的全方位全景相片。

3) 在城市區(qū)域或其他GPS信號(hào)遮擋地區(qū)數(shù)據(jù)采集精度受影響，此類地區(qū)的數(shù)據(jù)采集在今后的工作中可采用高精度的GPS，提高位置精度。

六、結(jié)束語

經(jīng)驗(yàn)證，使用該系統(tǒng)生產(chǎn)的與GPS軌跡點(diǎn)結(jié)合的外業(yè)核查全景樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)在地理國情普查生產(chǎn)中，不僅可用于外業(yè)核查工作，也可為地理國情數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)解譯、地類判讀提供幫助，內(nèi)外業(yè)均可重復(fù)利用、反復(fù)甄別，有助于提高地物分類判定的準(zhǔn)確率。

總體來說，該系統(tǒng)采集的全景影像數(shù)據(jù)資料時(shí)效新、真實(shí)可靠、直觀、定位準(zhǔn)確，可保證內(nèi)業(yè)解譯和外業(yè)核查的成果質(zhì)量。地理國情普查外業(yè)核查全景影像采集系統(tǒng)應(yīng)用于貴州省的地理國情普查工作，可以指導(dǎo)內(nèi)業(yè)解譯，并大大減輕外業(yè)核查工作，降低生產(chǎn)成本，有效提升貴州省第一次全國地理國情普查工作的總體成果質(zhì)量及工作效率，同時(shí)也為成果質(zhì)量的檢查提供新的思路。

[1] 國務(wù)院辦公廳.國務(wù)院關(guān)于開展第一次全國地理國情普查的通知(國發(fā)[2013]9)[EB/OL].2013-03-05.http:∥www.gov.cn/zwgk/2013-03/05/content_2346074.htm.

[2] 吳智寧.高質(zhì)量城市街景圖像采集系統(tǒng)與應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3] 李觀石，劉波，陸藩藩，等.基于MMS街景的導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集方法研究[J].現(xiàn)代測繪，2013，36(1)：44-46.

Research and Application of Field Check Panoramic Image Aequisition System for the First National Census of Geographic Conditions

JI Chunxiang，YI Zhi，ZHANG He，CAO Yang

計(jì)春祥，易志，張禾，等.第一次全國地理國情普查外業(yè)核查全景影像采集系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2015(7)：79-81.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0217

2014-10-16

計(jì)春祥(1983—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y量、移動(dòng)測量、地理信息系統(tǒng)等方面。E-mail:25354476@qq.com

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：0494-0911(2015)07-0079-03