基于新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)的質(zhì)量控制實踐

顧婷

（上海市測繪院，上海200063）

1 概述

基礎(chǔ)測繪為經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展提供了基礎(chǔ)性、公益性、保障性地理信息服務(wù)工作[1]。隨著黨的十九大以來，“一帶一路”、長江經(jīng)濟帶、京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，社會各界對測繪工作提升社會的保障服務(wù)能力提出了更高要求，構(gòu)建新型基礎(chǔ)測繪體系的要求愈發(fā)迫切?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)交叉融合發(fā)展人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為構(gòu)建新型基礎(chǔ)測繪體系提供了技術(shù)助力和先決條件[2]。

自2017 年11 月以來，上海被國家測繪地理信息局批準(zhǔn)為新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)試點城市以來，積極響應(yīng)國家提出“加快發(fā)展基礎(chǔ)測繪，形成新型基礎(chǔ)測繪體系”的號召[3]，開啟了新型基礎(chǔ)測繪體系的探路之旅；2019 年4 月12 日，上海市新型基礎(chǔ)測繪試點項目設(shè)計評審會通過了由自然資源部國土測繪司組織的院士專家組評審，2019 年下半年，選取上海市浦東新區(qū)張江28 平方公里開始了新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)的地形圖生產(chǎn)實踐。不同于傳統(tǒng)測繪，新型基礎(chǔ)測繪面向新時代新的應(yīng)用需求，采用傾斜攝影測量、激光雷達掃描等新型測繪技術(shù)進行數(shù)據(jù)的采集和處理[4]。其中，質(zhì)量控制體系是關(guān)乎新型基礎(chǔ)測繪工作能否推進的核心問題。本文以張江28 平方公里新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)的生產(chǎn)實踐為例，著重探討采用新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)的質(zhì)量控制手段、方法和效果。

2 新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)的質(zhì)量控制

新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)主要包括傾斜攝影測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)，其中傾斜攝影測量技術(shù)通過在飛行平臺上搭載影像傳感器，同時從垂直、傾斜等多角度同步采集影像，獲取地理實體三維信息和高分辨率紋理信息。激光掃描技術(shù)是將激光雷達(Lidar)、GNSS 接收機、慣性測量系統(tǒng)(INS)、全景相機以及控制系統(tǒng)等搭載在運動平臺上，通過對物體的掃描記錄目標(biāo)的位置和反射強度等信息，獲取地理實體的三維數(shù)據(jù)的空間信息技術(shù)[5]。

2.1 傾斜攝影測量的質(zhì)量控制

傾斜攝影測量的主要誤差來源于數(shù)據(jù)采集和處理過程。為了保障Mesh 模型的質(zhì)量，需要對各類誤差源進行質(zhì)量控制和優(yōu)化。通過外業(yè)密集布設(shè)高精度的像控點可以提升傾斜數(shù)據(jù)的精度，像控點精度等級越高，間距越小，生產(chǎn)的mesh 模型精度越高。一般而言，對于建筑密集區(qū)域，像控點間距不應(yīng)低于250 米，建筑密度較低的區(qū)域可以放寬至500 米。

2.2 三維激光掃描的質(zhì)量控制

三維激光掃描技術(shù)利用多傳感器組合技術(shù)，誤差來源復(fù)雜，傳感器自身以及相互組合都包含眾多誤差源，此外掃描精度還和被觀測對象的特性相關(guān)。一般來說，誤差來源包括四個主要因素，即GNSS/INS 組合的定位誤差、慣性測量系統(tǒng)的定姿誤差、激光雷達掃描誤差、多傳感器組合的集成誤差[6]。

定位誤差和定姿誤差與GNSS 和慣性測量系統(tǒng)的定位、定姿性能相關(guān)，掃描誤差則與激光雷達系統(tǒng)測距、測角精度等性能相關(guān)。多傳感器組合的集成誤差主要來源多傳感器間的空間基準(zhǔn)統(tǒng)一誤差，包括GNSS 和INS 的偏心距以及INS 和LIDAR 的偏心距和偏心角，通過對傳感器組合標(biāo)定的方式可以減弱該誤差。

以張江28 平方公里地形圖采集使用的多傳感器組合為例，GNSS/INS 組合定位的水平方向標(biāo)稱精度為1cm，垂直方向標(biāo)稱精度約為2cm。車載瞬時掃描角當(dāng)載體處于理想姿態(tài)時，多傳感器組合的集成誤差（平面、高程）約為2cm。當(dāng)GNSS 信號變差，平面和高程精度會降低，短時間的失鎖，通過引入外部控制點來進行精度改善。

2.3 精度要求

不同于傳統(tǒng)的地形測繪，新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)體系下實體采集精度以“需求導(dǎo)向，不同實體不同精度”為目標(biāo)，依據(jù)實體類別不同，將平面和高程分為三級精度。

表1 地形數(shù)據(jù)平面精度要求

3 工程實例

3.1 測區(qū)范圍

選取了浦東新區(qū)的張江核心區(qū)域作為此次項目范圍，張江位于上海浦東新區(qū)中南部，素有中國硅谷美譽，是中國國家級高新技術(shù)園區(qū)。項目共計28.3 平方公里，范圍北至龍東大道，南至華夏高架路，西至羅山高架路，東至外環(huán)高速路。

3.2 數(shù)據(jù)源質(zhì)量改善

張江28 平方公里數(shù)據(jù)采集分為兩部分。利用多平臺激光掃描、傾斜攝影、綜合調(diào)繪等技術(shù)手段對測區(qū)進行全要素測繪。一是將測區(qū)28 平方公里進行區(qū)塊劃分，利用直升機搭載傾斜相機飛行7 個架次完成測區(qū)傾斜數(shù)據(jù)的采集，二是對28 平方公里的的道路搭載車載激光掃描雷達，對測區(qū)120 公里的道路進行全掃描，掃描軌跡總長度為392.04 公里，共計33 車次。

獲取到車載激光掃描數(shù)據(jù)和傾斜模型數(shù)據(jù)之后，要對數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行改善。數(shù)據(jù)質(zhì)量改善主要包括點云數(shù)據(jù)噪聲濾除、空間基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換以及多源數(shù)據(jù)融合等。主要是針對車載點云數(shù)據(jù)、傾斜影像數(shù)據(jù)存在平面、高程精度較低的問題，利用第三方數(shù)據(jù)源包括平面、高程控制點提升其空間位置精度。數(shù)據(jù)采集完成之后，遵循均勻布設(shè)糾正點，全局控制的要求，采用間隔200 米布設(shè)控制點的方式，以此來提升車載激光掃描數(shù)據(jù)的點位精度；若質(zhì)量提升后的的車載點云精度不滿足要求，則加密糾正點。布設(shè)1659 控制點，選取其中550 驗證點，驗證mesh 模型和點云的精度。

對數(shù)據(jù)糾正之后，采用控制點驗證數(shù)據(jù)精度，發(fā)現(xiàn)點云精度好于mesh 模型精度，點云平面中誤差為3.46cm，高程上中誤差為1.98cm；mesh 模型平面和高程中誤差均都不超過4 公分，數(shù)據(jù)源精度良好，滿足生產(chǎn)要求，可以將數(shù)據(jù)應(yīng)用于后續(xù)地形圖生產(chǎn)工作。

表2 經(jīng)改善后數(shù)據(jù)源精度統(tǒng)計

3.3 全要素地形圖生產(chǎn)

在數(shù)據(jù)處理之后，通過先內(nèi)后外的作業(yè)模式的方式進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，即先利用點云和傾斜數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)測圖，再綜合測圖成果進行調(diào)繪，最后進行數(shù)據(jù)編輯。必要時，在數(shù)據(jù)編輯后進行補調(diào)。全要素地形圖生產(chǎn)流程如圖1 所示。

圖1 全要素地形圖生產(chǎn)流程

3.4 成果精度檢驗

在地形圖生產(chǎn)完成之后，采用外業(yè)布設(shè)高等級控制點對28平方公里的地形圖進行精度驗證，外業(yè)檢測各類要素幾何精度均符合項目所規(guī)定的精度要求，數(shù)據(jù)成果精度滿足表1 規(guī)定的精度要求。

表3 地形成果精度驗證

4 結(jié)論

新技術(shù)手段三維激光掃描系統(tǒng)和傾斜攝影測量的應(yīng)用大大提高了測繪工作的效率，但依托新技術(shù)手段產(chǎn)生成果質(zhì)量直接關(guān)系到測繪成果的可靠性。本文以上海市浦東新區(qū)張江核心區(qū)28 平方公里地形圖更新項目為例，探討了新型基礎(chǔ)測繪體系質(zhì)量控制的手段，并利用外業(yè)實測控制點的方式對地形成果進行驗證，結(jié)果表明，利用三維激光點云和傾斜模型的新型基礎(chǔ)測繪技術(shù)在一定程度上提高了全要素地形圖的生產(chǎn)效率，在對數(shù)據(jù)源質(zhì)量進行嚴(yán)格控制的基礎(chǔ)上，成果質(zhì)量可控，精度良好，適宜大范圍的推廣。