南極1∶5 000地形圖測繪關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問題處理——以南極維多利亞地站為例

徐 敏，初啟鳳，陽 俊，袁如金，周 亮

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江哈爾濱150081）

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南極1∶5 000地形圖測繪關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問題處理——以南極維多利亞地站為例

徐 敏，初啟鳳，陽 俊，袁如金，周 亮

（黑龍江地理信息工程院，黑龍江哈爾濱150081）

摘 要：從國家南極科學(xué)考察工作的實(shí)際需求出發(fā)，以南極擬新建站址維多利亞地1∶5 000地形圖測繪為例，闡述進(jìn)行南極特殊區(qū)域地形圖測繪工作在數(shù)據(jù)獲取及地形圖測繪相關(guān)數(shù)據(jù)處理方面所遇到的問題，介紹南極特殊區(qū)域測繪與常規(guī)區(qū)域測繪生產(chǎn)的不同，以及在關(guān)鍵工序存在的問題及處理方法，為今后開展相關(guān)的地形圖測繪工作提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：極地測繪；測圖工序；航空攝影；像片控制測量；空中三角測量；地形圖測繪

極地測繪是我國開展極地科學(xué)考察工作的重要支撐，也是我國極地科學(xué)研究領(lǐng)域不可缺少的組成部分。根據(jù)國家極地科學(xué)考察計(jì)劃，我國將在維多利亞地建設(shè)新的常年科學(xué)考察站。為了保證新站址的建設(shè)及該區(qū)域今后開展的科學(xué)考察、環(huán)境資源調(diào)查及地址調(diào)查等工作的順利進(jìn)行，滿足我國極地科考工作對(duì)基礎(chǔ)測繪資料的需求，為極地科考事業(yè)提供基礎(chǔ)測繪保障，根據(jù)國家南極科學(xué)考察需求，國家測繪地理信息局確定對(duì)南極維多利亞地周邊區(qū)域進(jìn)行1∶5 000比例尺地形圖測繪。本文以南極維多利亞地站及周邊區(qū)域?yàn)槔?，介紹及分析了南極1∶5 000地形圖測繪的數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)處理與常規(guī)區(qū)域測繪生產(chǎn)在關(guān)鍵工序上的異同及特殊問題的處理方法，為今后進(jìn)行南極特殊區(qū)域的生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1　區(qū)域自然地理概況

南極維多利亞地位于東南極羅斯海（Ross Sea）西側(cè)恩科斯堡島（Inexpressible Island）。測區(qū)內(nèi)周邊西高東低，西側(cè)有一個(gè)南北走向山梁，東側(cè)為平地和丘陵地。測區(qū)西面背靠南極大陸腹地，北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)均為冰蓋，東面朝特拉諾瓦灣（Terra Nova Bay）。該測區(qū)屬于寒帶海洋性氣候，11月至次年2月份為夏季，夏季平均溫度－2．8℃～0℃，常年風(fēng)力在6～7級(jí)；同時(shí)，受局地條件的影響，短距離內(nèi)可產(chǎn)生較大的風(fēng)速變化。測區(qū)地質(zhì)情況較為復(fù)雜，大部分區(qū)域?yàn)楸儙r，多為河流子和碎石覆蓋，基巖部分僅在部分海岸區(qū)域與部分山丘腳下出現(xiàn)，野外測繪工作開展比較困難。

2　技術(shù)路線

我國在第29次南極科學(xué)考察時(shí)，利用直升機(jī)掛載哈蘇H4D－60非量測型相機(jī)開展南極維多利亞地區(qū)域航空攝影，利用航空攝影獲取的影像數(shù)據(jù)，在第30次科學(xué)考察時(shí)開展像片控制測量及外業(yè)調(diào)繪工作。后期利用像片航空影像及像片控制測量成果完成空中三角測量，利用空中三角測量成果恢復(fù)立體模型開展立體測圖工作，并根據(jù)調(diào)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字線劃圖（DLG）的編輯。從立體測圖數(shù)據(jù)中提取高程點(diǎn)、等高線等地貌要素生成數(shù)字高程模型（DEM），利用空中三角測量成果、航空影像及DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過影像糾正、勻光勻色、鑲嵌等過程生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖（DOM）。生產(chǎn)技術(shù)流程如圖1所示。

由于南極特殊的氣候條件及地形地貌條件，在生產(chǎn)過程中遇到的問題將按現(xiàn)行規(guī)范適當(dāng)放寬處理。

3　關(guān)鍵工序及特殊問題處理

3．1 航空攝影

常規(guī)區(qū)域航空攝影一般采用航空遙感平臺(tái)或無人飛行器，利用GNSS獲得精確的航空飛機(jī)攝影的曝光點(diǎn)位置坐標(biāo)，同時(shí)記錄航攝相機(jī)曝光時(shí)刻的信號(hào)，根據(jù)天氣情況確定拍攝時(shí)間。

由于極地惡劣環(huán)境及相應(yīng)條件限制，缺乏常規(guī)航攝平臺(tái)的航攝條件，經(jīng)黑龍江測繪局極地測繪工程中心考察、測試和論證，在極地航空攝影時(shí)采用雪龍船配備的直升機(jī)平臺(tái)，并確定了在直升機(jī)上外掛哈蘇數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航空攝影測量的技術(shù)方案。由于H4D－60為非量測相機(jī)，未執(zhí)行過極端特殊條件的航攝任務(wù)，且直升機(jī)不具備固定相機(jī)的設(shè)備，為滿足南極特殊區(qū)域航攝條件的需要，對(duì)相機(jī)進(jìn)行了如下改造：

1）直升機(jī)與數(shù)碼相機(jī)的連接。經(jīng)過與設(shè)計(jì)制作單位的多次研究，并在制作過程中，逐步修改完善，達(dá)到連接機(jī)構(gòu)的堅(jiān)固、實(shí)用、便捷等要求。掛件實(shí)物如圖2所示。

圖1　生產(chǎn)技術(shù)流程圖

2）數(shù)碼相機(jī)供電系統(tǒng)改造。直升機(jī)外掛數(shù)碼相機(jī)航攝的穩(wěn)定供電問題，一直是制約提高航攝效率的瓶頸之一，尤其在南極極端天氣條件下，為避免相機(jī)的斷電問題對(duì)相機(jī)的供電系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)改造，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2　數(shù)碼相機(jī)連接掛件

由于本次航攝時(shí)間限制，無法獲取精確的航空飛機(jī)攝影的曝光點(diǎn)位置坐標(biāo)，主要根據(jù)地速和攝影基線，采用航攝儀的定時(shí)曝光來完成航空拍攝。這種方式如果碰到航線偏離，難免出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象，因而造成補(bǔ)飛較多。該地區(qū)常年風(fēng)力在6～7級(jí)，飛行方向較難控制，出現(xiàn)旋偏角、偏離航線等情況不可避免，因而采用補(bǔ)飛的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。

圖3　電路設(shè)計(jì)圖

3．2 像片控制測量

常規(guī)像控點(diǎn)布設(shè)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范、實(shí)地交通狀況、可通行條件等綜合因素進(jìn)行布點(diǎn)。布控范圍滿足成圖要求的同時(shí)，可根據(jù)需要外擴(kuò)一定范圍布點(diǎn)。如后續(xù)生產(chǎn)中出現(xiàn)精度較弱、粗差點(diǎn)時(shí)，可及時(shí)補(bǔ)測。絕大多數(shù)地區(qū)，全年均可進(jìn)行像控點(diǎn)施測。

極地像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)，新建站測區(qū)內(nèi)不具備地面交通條件，由于該區(qū)域周邊為峭壁和水域，地面遍地石塊，布點(diǎn)十分困難，像控點(diǎn)布設(shè)盡可能做到控制范圍最大。點(diǎn)位不能保證控制成圖范圍，需要內(nèi)業(yè)進(jìn)行合理化處理。南極考察往返路程需要2個(gè)月，獲取時(shí)間僅為11月至次年2月份，出現(xiàn)粗差點(diǎn)無法及時(shí)補(bǔ)測，因而像片控制點(diǎn)點(diǎn)位的選擇必須謹(jǐn)慎。綜合考慮地域風(fēng)速較大、明顯地物稀少以及航攝影像的獲取特點(diǎn)，主要選擇明顯地勢處的大塊石頭作為刺點(diǎn)目標(biāo)（小石塊不易辨認(rèn)且由于風(fēng)的影響位置會(huì)變動(dòng)），選點(diǎn)樣例如圖4所示。

3．3 空中三角測量

3．3．1 作業(yè)方法的比較

常規(guī)區(qū)域影像按飛行方向排列一致，能直接進(jìn)行畸變差校正，傾斜角較小、無航攝漏洞，像片間重疊度滿足規(guī)范要求，可選擇手工、自動(dòng)的方式進(jìn)行空三連接點(diǎn)選取，像控點(diǎn)布設(shè)滿足成圖范圍。

極地區(qū)域因飛行環(huán)境變化頻繁，重疊度不一致，傾斜角較大，有漏洞，需人工選取連接點(diǎn)。像控點(diǎn)不滿足成圖范圍，高程易出現(xiàn)明顯異常，需要內(nèi)業(yè)進(jìn)行合理化處理。

圖4　像片控制點(diǎn)樣例

3．3．2 問題處理

1）本次航攝時(shí)由于對(duì)相機(jī)不熟悉，相機(jī)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能未關(guān)閉，導(dǎo)致獲取的影像需要手工調(diào)整方向后，方可對(duì)攝區(qū)內(nèi)影像統(tǒng)一進(jìn)行畸變差校正。

2）高程異常處理方法。該測區(qū)為無圖區(qū)，無原始資料可用，水域被冰蓋覆蓋，因航攝季節(jié)為夏季，存在有不同程度融化的閉合水面，選取高程最低的接近于海平面的點(diǎn)位作為高程控制點(diǎn)，由于航攝存在嚴(yán)重的旋偏角，在空三環(huán)境下無法選取，因而需要使用空三中間成果恢復(fù)立體模型，在測圖環(huán)境下選取，此方法有效地改善了失控陸地區(qū)域的高程。加0值高程控制點(diǎn)前、后陸地高程對(duì)比如圖5、圖6所示。

圖5　加控制點(diǎn)前（黑體注記為點(diǎn)位高程值）

因極地特有的地理環(huán)境，此類問題在極地測繪中較常見，此方法可改善成果高程，但不能保證絕對(duì)精度，隨著技術(shù)的進(jìn)步及發(fā)展有待在以后的生產(chǎn)研究中進(jìn)一步地探討。

3．4 立體測圖

常規(guī)立體測圖中，極少數(shù)情況下會(huì)存在影像間漏洞的情況，可采取補(bǔ)飛的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。

圖6　加控制點(diǎn)后（黑體注記為點(diǎn)位高程值）

極地立體測圖中，影像漏洞情況較多，并且因條件限制補(bǔ)飛困難，對(duì)于有影像可參考的相對(duì)漏洞可根據(jù)影像補(bǔ)充進(jìn)行矢量采集，絕對(duì)漏洞則根據(jù)周邊地形推測的方法進(jìn)行彌補(bǔ)。在測圖過程中旋偏角問題較為普遍，測圖時(shí)需要生成水平核線影像，來改善旋偏角對(duì)立體觀測的影響。

4　結(jié)束語

從2006年的非量測相機(jī)H1D第一次投入極地測繪航攝生產(chǎn)到如今的H4D－60數(shù)碼相機(jī)的使用，非量測相機(jī)應(yīng)用于極地測繪生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，已基本上解決我國極地考察亟需的各種類型地圖和各項(xiàng)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)的服務(wù)，提高我國在南極測繪方面的國際交流合作和數(shù)據(jù)資料共享的地位和能力，保障了我國南極科學(xué)考察的順利進(jìn)行。本文所闡述的極地測繪生產(chǎn)關(guān)鍵工序問題處理，為今后的極地測繪生產(chǎn)提供了一定的技術(shù)依據(jù)及參考。在本項(xiàng)目的執(zhí)行中由于時(shí)間所限，對(duì)配合相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)改造未能發(fā)揮作用，而我們也在繼續(xù)對(duì)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行改造，以期在下一次執(zhí)行任務(wù)時(shí)能利用該導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高定位精度，飛行航線偏離提醒，以提高極地特殊區(qū)域的航空攝影能力，最大程度地降低自然條件的影響。

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［責(zé)任編輯：王文福］

Research of major problems in the 1∶5 000 mapping of Antarctic and the solutions —A case study of Vitolia area

XU Min，CHU Qifeng，YANG Jun，YUAN Rujin，ZHOU Liang

（Heilongjiang Institute of Geomatics Engineering，Harbin 150081，China）

Abstract：This paper，from the actual needs of national Antarctic research and taking the proposed new station site of Vitolia Land 1∶5 000topographic mapping for instance，focuses on the essential technology of Antarctic topographic mapping in data acquisition，data processing and other aspects of the problem to be solved．It also describes the different polar mapping and general mapping area，as well as highlights problems and processing method，and provides technical base for the future work．

Key words：polar mapping；essential technology；aerial photography；photo control survey；aerial triangulation；topographic mapping

作者簡介：徐 敏（1980－），女，高級(jí)工程師．

基金項(xiàng)目：2014年度測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201412009）；南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)基金（CHINARE2015－04－07）

收稿日期：2015－09－29

中圖分類號(hào)：P217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006－7949（2016）01－0073－04