基于地空一體化的1∶500地形圖測繪應(yīng)用
——以寧波市北侖區(qū)某測區(qū)為例

張偉，付玲，柳婷

(1.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波　315042；　2.寧波工程學(xué)院，浙江 寧波　315211；3.寧波市阿拉圖數(shù)字科技中心，浙江 寧波　315042)

1　引　言

目前大比例尺地形圖都是通過全野外數(shù)字化進行測圖，由于成圖精度要求，運用航空攝影測量進行大比例尺地形圖測繪的主要集中在 1∶2 000及以下比例尺，而運用于 1∶500地形圖測繪項目上是鮮有案例。隨著航測儀器(工作站)的升級，數(shù)碼攝影(DDC)的應(yīng)用，航空攝影測量精度進一步提高，獲取高精度高分辨率影像逐漸成為常態(tài)。同時通過無人機及激光雷達可以快速獲取航攝影像及激光點云數(shù)據(jù)，為新方法應(yīng)用于 1∶500大比例尺測圖提供了技術(shù)保障。且經(jīng)實驗成果對比測算，基于無人機航攝影像提取的地形要素滿足 1∶500大比例尺三類地物的精度要求；基于激光點云獲取的高程精度滿足 1∶500大比例尺高程精度要求。因此，采用全野外數(shù)字化測圖法與基于航攝影像的遙感測圖法相結(jié)合的方式進行地空一體化的 1∶500大比例尺地形圖測繪。采用地空一體化進行 1∶500地形圖測繪，針對寧波多臺風(fēng)多梅雨等地域情況，可以提高測繪的工作效率，滿足城市建設(shè)快速發(fā)展對地形圖數(shù)據(jù)的需求。

2　技術(shù)路線的選擇

按精度1∶500大比例尺地形圖的地物點可以分為3類，一類地物點為城鎮(zhèn)道路、街道、巷道兩側(cè)明顯建筑物(構(gòu)筑物)拐點；二類地物點主要指設(shè)站施測困難的明顯建筑物(構(gòu)筑物)拐點及農(nóng)村居民地明顯建筑物(構(gòu)筑物)拐點；三類地物點為除上述兩類地物點的其他地物點。這些地物點要求測繪的平面與高程精度如表1所示。高程注記點中誤差不大于±0.15 m，等高線插求點的高程中誤差(相應(yīng)等高距取 1 m)：丘陵地不大于1/2基本等高距(即±0.50 m)，山地不大于2/3基本等高距(即 ±0.66 m)，高山地不大于1根基本等高距(即 ±1.00 m)，隱蔽地區(qū)放寬一倍。

地物點相對于鄰近控制點的點位中誤差　　　　　表1

隨著無人機遙感技術(shù)和數(shù)據(jù)攝影的迅速發(fā)展，通過無人機獲取高精度地表模型數(shù)據(jù)越來越便利。于是利用無人機作為遙感平臺搭載經(jīng)過可量測化處理的CCD相機進行航空攝影，通過設(shè)計無人機的像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線彎曲度、航高、影像質(zhì)量等的各項技術(shù)指標，可以獲取地面分辨率 4 cm的影像。經(jīng)測算獲取的地物點精度的中誤差為 10 cm，完全滿足三類地物的測圖精度要求。因此，針對實際情況，采用基于地空一體化的 1∶500地形圖測繪新方法的技術(shù)路線，即一、二類地物采用全野外數(shù)字測繪、三類地物采用基于航空攝影的遙感測圖法的總體技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1　項目技術(shù)總路線

3　項目實施

依據(jù)項目采用的技術(shù)總路線，先做好資料收集、技術(shù)設(shè)計、項目分區(qū)等工作；然后采用全站儀或GPS-RTK對測區(qū)內(nèi)的一、二類地物進行野外測量，與此同時，利用無人機和激光掃描車對三類地物、高程以及山區(qū)進行內(nèi)業(yè)航測、外業(yè)核查測圖；最后對所有地物點數(shù)據(jù)按分區(qū)進行接邊、編輯、整飾、最終檢查等，而過程檢查貫穿整個項目實施過程中。其中激光點云處理技術(shù)和無人機航攝技術(shù)是項目的關(guān)鍵技術(shù)，前者提供了高程、山地等高線的解決方案，后者為項目所采集的三類地物精度、項目工期等提供了保障，是項目實施的重中之重。

3.1　一、二類地物采用全野外數(shù)字化測圖法

項目中測區(qū)內(nèi)的居民建筑區(qū)內(nèi)所有要素和其航測區(qū)域內(nèi)的二類地物點采用全野外數(shù)字化方法，利用全站儀或GPS-RTK進行地形要素的全面采集，內(nèi)業(yè)則利用AutoCAD或南方CASS軟件進行數(shù)字地形圖編輯、整飾。碎部點類別有：水系(含坡腳線、水涯線、水閘等)，居民地及設(shè)施(含建筑物、花壇、水井等)，交通(含道路、橋梁、加油站等)，管線(含高壓輸電線、電力線、消防設(shè)施等)，地貌(含高程、陡坎等)。依據(jù)要素的原則進行過程檢查，過程檢查合格后形成階段性成果(如圖2所示)，提交數(shù)據(jù)與航測地形圖成果進行接邊。

圖2　全野外數(shù)字化測圖階段成果

3.2　基于無人機攝影的遙感測圖法

項目對航測區(qū)內(nèi)的高程、三類地物點進行數(shù)字化地形要素采集，采用“先內(nèi)后外”的方法進行成圖生產(chǎn)，即利用航片和基礎(chǔ)控制成果，生成高精度影像模型，采集道路、水系、地貌等地形要素。而對于整個測區(qū)內(nèi)的高程，則利用高密度激光點云數(shù)據(jù)，獲取高程值并生成等高線，具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3　基于航空攝影的遙感測圖法技術(shù)路線

(1)激光點云獲取高程、等高線

本文利用寧波市第一次地理國情普查成果中的點云分類成果數(shù)據(jù)采集非建筑區(qū)內(nèi)的地面高程點以及生成山地的等高線。平坦地區(qū)不繪制等高線，用高程注記點表示地形起伏。利用Terra Scan和Terra Photo，結(jié)合點云和正射影像按照設(shè)計關(guān)于高程點分布和密度的要求，人工提取地面點上的高程數(shù)據(jù)。

圖4　采集地面點高程點數(shù)據(jù)圖

圖5　利用地面關(guān)鍵點生成等高線

利用Terra Scan提取分類后的激光點云中地面點中等高線的關(guān)鍵點，導(dǎo)出其三維坐標數(shù)據(jù)，再使用Terra Model內(nèi)的Display contours工具，利用提取出的等高線關(guān)鍵點生成 1 m等高距的等高線，如圖4、圖5所示。

(2)無人機航攝影像

根據(jù)項目設(shè)計中對像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線彎曲度、航高、影像質(zhì)量等的各項技術(shù)指標進行設(shè)計，采用AXUAV-2無人機、飛思IXU180相機對北侖測區(qū)進行航攝，共獲取數(shù)碼航空影像 10 524張，影像地面分辨率 4 cm，具體有以下內(nèi)容。

①像控點測量

像控測量采用NBCORS進行測量，按照一級圖根點精度進行測量，全部布設(shè)成平高點。由于測區(qū)范圍內(nèi)有部分山地，為保證像控點分布均勻，且在區(qū)域四周及拐點都布有控制點，本項目提前在測區(qū)范圍內(nèi)特征點不明顯的區(qū)域布設(shè)像標點。采用獨立觀測兩測回方法，共測得像控點385個，其中像標88個，測回間平面坐標互差最大為 3.6 cm，高程互差最大為 5.6 cm，滿足本項目像控點精度要求。項目航線重疊度高，采用差分GPS聯(lián)合平差，像控點布設(shè)時每隔6條航帶，8條基線布設(shè)一個，個別區(qū)域找不到特征點的就近補測像控點，如圖6所示。

圖6　像控點布設(shè)及分區(qū)

②空中三角測量

利用Smart3D和INPHO軟件進行空中三角測量，采用全自動密集匹配的方式進行，項目分為9塊區(qū)域進行空中三角測量處理，其中區(qū)塊1、2、5、8、9區(qū)塊采用inpho進行處理，區(qū)塊3、4、6、7采用Smart3D進行處理，區(qū)塊之間至少保證一條航帶的重疊度。

從空三數(shù)據(jù)結(jié)果得出，項目各區(qū)域網(wǎng)基本定向點平面較差最大為 9.4 cm，滿足基本定向點殘差中誤差小于等于 13 cm的規(guī)范要求；檢查點平面較差最大 20.4 cm，滿足檢查點誤差中誤差小于等于 22 cm的規(guī)范要求；同名點較差大部分在 10 cm以下，最大較差 32.2 cm，滿足公共點較差中誤差小于等于 35 cm的規(guī)范要求。

③正射影像制作

根據(jù)空三處理結(jié)果，分別利用INPHO和Smart3D軟件進行正射影像生成，在軟件中對影像進行勻光勻色和影像拼接后分幅輸出，輸出的成果影像套合原始地形圖檢查后，形成最終的正射影像成果。

(3)地形數(shù)據(jù)采集、調(diào)繪與編輯

首先利用提交的全野外數(shù)字化和基于航空攝影的遙感測圖獲得的地形圖數(shù)據(jù)依照各自范圍，對居民建筑區(qū)和航測區(qū)域交界的區(qū)域?qū)Φ匦我剡M行物理性、邏輯性接邊，保證地形數(shù)據(jù)的無縫連接。其次遵循 1∶500地形圖成圖的原則要求進行成圖、整飾。過程檢查貫穿整個項目過程，如圖7為地形數(shù)據(jù)成果。

圖7　航測地形數(shù)據(jù)成果

3.3　地形圖數(shù)據(jù)接邊、成圖與驗收

首先利用提交的全野外數(shù)字化和基于航空攝影的遙感測圖獲得的地形圖數(shù)據(jù)依照各自范圍，在居民建筑區(qū)和航測區(qū)域交界的區(qū)域?qū)Φ匦我剡M行物理性、邏輯性接邊，保證地形數(shù)據(jù)的無縫連接。其次遵循 1∶500地形圖成圖的原則要求進行成圖、整飾。過程檢查貫穿整個項目過程，最終檢查于2016年12月20日提交并通過檢查驗收。

4　項目特色

通過對北侖區(qū)測區(qū)采用全野外數(shù)字化法和基于航空攝影的遙感法，進行地形圖測繪并最終成圖，利用傳統(tǒng)與新型測繪技術(shù)相結(jié)合的方式，在保證精度的情況下大大地提高了地形圖測繪的效率。與以往同類項目相比，本項目呈現(xiàn)出了新的項目創(chuàng)新點，主要有以下四方面。

4.1　航攝影像測繪三類地物

將以前全野外作業(yè)方式測繪三類地物轉(zhuǎn)為基于航攝影像的遙感測圖，大量降低了外業(yè)工作量，將部分外業(yè)工作轉(zhuǎn)至內(nèi)業(yè)工作，改善了作業(yè)的工作環(huán)境，提高了工作效率。項目首次對 1∶500大比例尺地形圖進行“天地空一體化”測圖，采集的地形數(shù)據(jù)平面精度優(yōu)于 15 cm，高程精度優(yōu)于 10 cm，滿足了相應(yīng)的精度要求。項目運用無人機航攝高精度影像進行三類地物測繪，三類地物測繪面積約占測區(qū)的40%且作業(yè)高效，同時無人機獲取高精度影像快速、現(xiàn)實性強和成本相對較低等特點，大大推進了項目的進度。

4.2　激光點云采集高程及等高線

經(jīng)過十幾年的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用也成為一種趨勢。國內(nèi)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形測量的案例多為研究性應(yīng)用。本項目將三維激光掃描獲得的地面點云數(shù)據(jù)作為 1∶500地形圖的高程數(shù)據(jù)來源并基于此生成等高線，將三維激光掃描在地形測圖上由研究性轉(zhuǎn)換為實際工程性應(yīng)用，創(chuàng)新性地將新的激光點云技術(shù)與傳統(tǒng)地形圖測繪結(jié)合起來，擴展了三維激光掃描的應(yīng)用，提高了地形圖測繪的效率。

4.3　激光點云與遙感影像的高精度異源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

三維激光掃描儀用于高程及等高線采集的一個關(guān)鍵步驟就是點云與遙感影像的高精度配準，但相關(guān)研究則鮮有進展。由于激光點云和遙感影像在數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式和屬性上均有很大差異，因此傳統(tǒng)的配準方法并不能完全適用于這兩類數(shù)據(jù)的配準。針對上述問題，項目利用POS數(shù)據(jù)和各個傳感器間的相對空間位置關(guān)系建立點云與單張面陣CCD影像間的對應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)全景影像與單張面陣CCD影像間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)激光點云與遙感影像的高精度配準。

5　結(jié)　語

隨著城市發(fā)展的需求，傳統(tǒng)的地形圖測繪技術(shù)由于更新速度慢，已不能滿足目前經(jīng)濟、社會發(fā)展對數(shù)字地形圖及數(shù)字產(chǎn)品的需求。因此，我們應(yīng)不斷探索解決地形圖更新慢、周期長的問題，保障城市的經(jīng)濟建設(shè)。本文在 1∶500數(shù)字化測圖中，結(jié)合無人機航攝和激光點云等技術(shù)，將大量外業(yè)工作轉(zhuǎn)移至內(nèi)業(yè)測圖，創(chuàng)新性地提出了基于地空一體化的 1∶500地圖測繪并應(yīng)用于實際項目。該方法在精度、進度、操作等方面都有較大的優(yōu)勢，必將全面應(yīng)用于大比例尺測圖。