基于MapMatrix的數(shù)字線劃地圖制作

周陳耀

（廈門市集美區(qū)測(cè)繪地理信息中心 福建廈門361022）

1 引言

隨著人類社會(huì)的進(jìn)步及其經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，信息化時(shí)代中數(shù)字城市概念的提出，對(duì)基礎(chǔ)地理信息資源的采集作出更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。為加快進(jìn)行數(shù)字城市地理空間框架的建設(shè)，必須完善其標(biāo)準(zhǔn)體系，以現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)更新或生產(chǎn)，整合有關(guān)專業(yè)部門的信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建基本的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，才能夠真正快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市[1]。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量可精確、可靠對(duì)地物進(jìn)行采集，繪制成各種不同比例尺線劃圖[2]。傳統(tǒng)測(cè)繪方式需要耗費(fèi)大量的人力物力、低效率、低產(chǎn)出，已不能夠適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展與需求。只有加快基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的更新和生產(chǎn)，并嚴(yán)格控制好數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量，才能滿足各項(xiàng)工程建設(shè)和城市規(guī)劃對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品的需求[3]。本文介紹基于MapMatrix制作數(shù)字線劃地圖的過(guò)程，并且與傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)繪方式對(duì)比分析。應(yīng)用結(jié)果能夠?yàn)闇y(cè)量工作者提供應(yīng)用借鑒。

2 MapMatrix軟件介紹

MapMatrix是能夠?qū)蚍匠上瘢║CD、UCX、UCXP、DMC 等）、 星載 推 掃 式 成 像（ALOS、P5、SPOT1/2/3/4/5、IKONOS、QuickBIRD 等）、機(jī)載三線陣影像（ADS40/80、3DAS1等）等多源空間信息綜合處理的新型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)。將一系列能夠進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理的軟件進(jìn)行了集合，成為一個(gè)數(shù)據(jù)加工處理生產(chǎn)的整體。并且利用多種管理器的相互統(tǒng)一，將數(shù)據(jù)的采集、編輯、處理、入庫(kù)、維護(hù)、共享等功能集于一體。主要應(yīng)用于4D數(shù)據(jù)生產(chǎn)、災(zāi)害評(píng)估、應(yīng)急測(cè)繪、林業(yè)、水利、國(guó)防。MapMatrix在一個(gè)項(xiàng)目中能夠全自動(dòng)內(nèi)定向、全自動(dòng)相對(duì)定向、全自動(dòng)匹配生成DEM、支持實(shí)時(shí)核線采編、多種比例尺的DLG采集、DOM制作、DEM制作等。軟件功能較為強(qiáng)大[4]。

3 基于MapMatrix的數(shù)字線劃地圖制作

數(shù)字劃線圖先利用采集到的影像、相對(duì)應(yīng)的像控點(diǎn)文件和相機(jī)文件在MapMatrix中進(jìn)行空中三角測(cè)量、自動(dòng)相對(duì)定向得到空三加密結(jié)果，再利用空三加密的結(jié)果進(jìn)行立體像對(duì)的創(chuàng)建。最后創(chuàng)建DLG文件，再使用MapMatrix的Feature One模塊進(jìn)行最后的測(cè)圖采集[5]。其流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字劃線圖采集流程圖

3.1 立體像對(duì)模型的構(gòu)建

3.1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）影像的采集

使用eBee RTK固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)廈門理工學(xué)院進(jìn)行航拍采集影像。使用無(wú)人機(jī)采集影像首先需要使用飛控軟件進(jìn)行航拍范圍的確定及飛行航線的規(guī)劃，野外數(shù)據(jù)采集的工作是實(shí)地勘測(cè)和無(wú)人機(jī)飛行。

（2）相機(jī)文件的制作

相機(jī)文件的獲取可使用野外采集的相機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行制作，也可使用其他相關(guān)的軟件進(jìn)行獲取，例如PhotoScan。本次相機(jī)文件的制作使用PhotoScan軟件的相機(jī)檢校模塊進(jìn)行自動(dòng)生成相機(jī)文件，生成相機(jī)文件的前提條件是有相近三個(gè)航帶中15張畫面清晰、紋理多樣的圖像，還需要將其文件內(nèi)容格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化[6]。

（3）像控點(diǎn)文件的制作

像控點(diǎn)文件是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量處理中極關(guān)鍵的一部分，其制作的質(zhì)量直接影響后期內(nèi)業(yè)影像處理的精確性、效率及質(zhì)量。圖2是廈門理工學(xué)院航拍時(shí)選取的一個(gè)像控點(diǎn)，由于航攝標(biāo)志尺寸要求是地面分辨率的5-10倍。因此，本次選取的9個(gè)航攝標(biāo)志都是道路斑馬線或標(biāo)識(shí)線。通過(guò)全站儀連接基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化測(cè)得像控點(diǎn)。圖3是外業(yè)測(cè)得的控制點(diǎn)和MapMatrix可識(shí)別的像控點(diǎn)文件格式，將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到像控點(diǎn)文件。

圖2 航攝標(biāo)志

圖3 外業(yè)控制點(diǎn)和MapMatrix可識(shí)別的像控點(diǎn)文件格式

3.1.2 立體像對(duì)模型的建立及自動(dòng)相對(duì)定向

單張影像不能夠確定三維空間坐標(biāo)，而雙像解析攝影測(cè)量卻可以通過(guò)解算空間三維坐標(biāo)，利用數(shù)學(xué)方法來(lái)建立立體像對(duì)，從而獲得地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)。立體像對(duì)的相對(duì)定向即根據(jù)立體像對(duì)內(nèi)在的幾何關(guān)系恢復(fù)兩張像片之間的相對(duì)位置和姿態(tài)，使同名光線對(duì)對(duì)相交，建立與地面相似的立體模型。同時(shí)相對(duì)定向是基于左右兩張影像的，可以確定左右兩張影像的位置關(guān)系、消除上下視差。

3.2 數(shù)字線劃地圖采集

在MapMatrix中進(jìn)行DLG文件的創(chuàng)建，則可以數(shù)字化進(jìn)入Feature One模塊進(jìn)行測(cè)圖采集。如果使用Feature One模塊直接導(dǎo)入DLG文件需要另外添加與之相關(guān)的工程文件。接著載入相應(yīng)立體模型，在3D立體視野中進(jìn)行矢量信息的提取及地物的編輯。內(nèi)業(yè)定位，外業(yè)定性是DLG采集的重要原則之一。當(dāng)項(xiàng)目范圍較大需要多人合作測(cè)圖則可以進(jìn)行測(cè)圖范圍的分幅，分配工作區(qū)域，在結(jié)束DLG采集時(shí)使用人工或自動(dòng)接邊使圖幅完整。地物采集的次序是由地物的主次關(guān)系、采集速度、方便程度、美觀程度、不易丟漏等多因素決定的，不同的人也會(huì)有不同的采集順序[7]。表1列舉的采集順序較為普遍：

表1 地物采集順序表

本文以下主要以水系、居民地及設(shè)施、交通、電力設(shè)施、植被與土質(zhì)等地物影像圖的解譯標(biāo)志進(jìn)行分類。

（1）水系。水系主要繪制的有池塘、溝渠、橋和涵洞等。對(duì)于池塘如果水位線離岸邊遠(yuǎn)，則用無(wú)坎池塘畫水壓線，否則用有坎池塘繪制；當(dāng)遇到不明類別的橋時(shí)用人行橋表示，如果橋?qū)捫∮?mm需要使用不依比例圖示表示。對(duì)于依比例與半依比例涵洞的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)即是否寬度大于或小于1mm。如圖4所示，為無(wú)坎池塘與有坎池塘的圖示應(yīng)用。

圖4 無(wú)坎和有坎池塘解譯標(biāo)志

（2）居民地及設(shè)施。居民地及設(shè)施的采集以由高到低，由主到次，低的房屋要捕捉到高的房屋上面為原則。如在建筑中房屋需要做"建"標(biāo)記。1：500比例尺圖中大于0.6米的圍墻使用依比例圖示。圖5為房屋的搭接與圍墻的圖示應(yīng)用。

圖5 房屋的搭接和圍墻解譯標(biāo)志

（3）交通。交通主要包括：鐵路、等級(jí)公路、高速公路、國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、小路等。鐵路在1：500、1：1000比例尺圖中使用依比例采集鐵軌寬度，而在1：2000比例尺圖中則用不依比例。其中唯一需要使用四條線采集的路是等級(jí)公路，需要采集路肩和車道線。對(duì)于高速公路則只需要采集其白色邊線即可。圖6為高速公路圖示應(yīng)用。

圖6 高速公路解譯標(biāo)志

（4）電力設(shè)施。電力設(shè)施是數(shù)字線劃圖采集中最容易丟漏的一部分，只要看見電力設(shè)施就將其采集是防止丟漏的可行辦法之一。電桿、電線架需要采集其底部。同理電塔也需要依比例采集實(shí)際底部，不依比例時(shí)則點(diǎn)擊底部指明電線的方向即可。

（5）植被與土質(zhì)。植被與土質(zhì)包含有稻田、旱地、菜地、園地、森林、竹林、草地等。田埂、田坎與地類界等是使用的較為頻繁的。對(duì)于田埂，圖上寬度大于1mm以上使用雙線表示，兩個(gè)田塊高差小于半個(gè)等高距就是田埂，大于半個(gè)等高距是田坎。圖7為1：1000、1：2000比例尺圖的田塊分割。

圖7 1：1000比例田和1：2000比例田塊分割解譯標(biāo)志

（6）地貌。斜坡在坡度小于70度，坡面在圖上的水平投影小于2mm時(shí)，斜坡需要采集坡腳線，形成封閉的面。坡腳線可以是坡腳的地物，沒(méi)有地物的使用地類界封閉。如圖8所示。而陡坎在坡度大于70度，坡面在圖上的水平投影小于0.5mm時(shí)，畫上棱線，坎齒朝下。

如圖8單線斜解譯標(biāo)志

3.3 數(shù)字線劃圖的質(zhì)量特性及檢查

數(shù)字線劃圖的質(zhì)量特征主要是指對(duì)成果的可靠性以及精度的描述。數(shù)字線劃圖將地形圖進(jìn)行了數(shù)字化，其制作方法以及用途是與傳統(tǒng)的紙質(zhì)地形圖有所區(qū)別的，主要是應(yīng)用于GIS的構(gòu)建，也同時(shí)說(shuō)明了其質(zhì)量特性及其檢查是有所不同的。不僅對(duì)其位置精度、要素完整性及其正確性要做檢查，同時(shí)對(duì)其數(shù)據(jù)屬性精度、數(shù)據(jù)分層、要素代碼等項(xiàng)目也要進(jìn)行檢查[8，9]。

（1）位置精度。位置精度主要是對(duì)其平面精度及其高程精度進(jìn)行檢查，通常是可以在立體模型中進(jìn)行人機(jī)交互的方法得到差值，從而得出誤差值來(lái)做比較。檢查點(diǎn)的多少以圖形的復(fù)雜程度以及地圖比例尺等決定的，每一幅線劃圖一般選取20-50個(gè)檢查點(diǎn)。并且在進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，應(yīng)將點(diǎn)均勻的放置在地形圖上，并選擇較易識(shí)別的地物。

（2）屬性精度。屬性的精度是描述空間實(shí)體的屬性值及其與真值相吻合的程度值，通常用文字、符號(hào)、注記等表示。比如地形圖中建筑物的結(jié)構(gòu)、層數(shù)、各要素的編碼、層、線型等。

（3）邏輯一致性。邏輯的一致性是表示線劃圖上的各要素的表達(dá)與現(xiàn)實(shí)世界的吻合性。線劃圖中各要素是否符合邏輯規(guī)則，比如圖形的拓?fù)潢P(guān)系及其與現(xiàn)實(shí)世界的吻合度是否正確。

（4）要素完整性及正確性。要素的完整性及其正確性是指對(duì)地物是否有遺漏，地物要素特征表示是否準(zhǔn)確進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)字線劃圖的制作會(huì)出現(xiàn)一定丟漏以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品容易產(chǎn)生要素表達(dá)不正確。

（5）圖面整飾。圖面整飾是指整個(gè)圖面的視覺效果。主要檢查各要素的關(guān)系是否合理，有無(wú)重疊、擠壓，注記內(nèi)容、字體的正確性和位置的合理性，有無(wú)壓蓋現(xiàn)象，線條是否光滑、連續(xù)，圖廓整飾是否符合規(guī)定等。

3.4 MapMatrix數(shù)字線劃地圖采集成果展示

通過(guò)外業(yè)的影像與相關(guān)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)MapMatrix空三處理、立體像對(duì)模型建立、以及Feature One模塊的地物采集，生成如圖9所示的1：2000比例尺全要素?cái)?shù)字線劃地圖成果圖。

圖9 1：2000比例尺圖數(shù)字線劃圖成果圖

4 結(jié)論

本文研究使用無(wú)人機(jī)航拍獲取高分辨率影像，利用MapMatrix軟件進(jìn)行空三處理、立體像對(duì)模型建立及在Feature One模塊的全要素采集。與傳統(tǒng)的測(cè)量模式相比較，此方式大大減少工作人員在野外采集時(shí)間，同時(shí)也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模式容易出錯(cuò)與丟漏的缺點(diǎn)。但在隧道、高層建筑、大片水域等地方容易出現(xiàn)GPS信號(hào)被遮擋或者多路徑效應(yīng)的位置，傳統(tǒng)測(cè)量方式也有其優(yōu)勢(shì)。隨著智慧城市與智慧地球的提出，未來(lái)的測(cè)量方式必將朝著更智能、更便捷、更有效率、更人性化的方向發(fā)展。