兩種小區(qū)域大比例尺航測(cè)地形圖成圖方法的應(yīng)用研究

張懂慶，汪宏康，李寶東

(1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020;2.甘肅省煤田地質(zhì)局綜合普查隊(duì)，甘肅 天水 741000)

隨著無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的日益成熟，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，無(wú)論是軟硬件設(shè)備、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取方式、處理模式、成果多樣性，還是產(chǎn)品精度、后期數(shù)據(jù)維護(hù)，都有了質(zhì)的飛躍，智能化、靈活性日益凸顯。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為新型測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)手段，相較于傳統(tǒng)測(cè)量模式，有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。如何利用航測(cè)技術(shù)手段和常見(jiàn)的測(cè)繪數(shù)據(jù)處理軟件快速地生產(chǎn)出高精度測(cè)繪產(chǎn)品，一直以來(lái)是測(cè)繪人關(guān)心的問(wèn)題所在。

為了解決航測(cè)數(shù)據(jù)的后處理問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)最為常見(jiàn)的攝影測(cè)量軟件有兩種，一種VirTuo-Zo(適普軟件)[1]，另一種是JX-4軟件[2]，但由于此類軟件專業(yè)性強(qiáng)，且價(jià)格昂貴，普及率較低。本文將結(jié)合實(shí)例，采用最為常見(jiàn)的測(cè)繪軟件PIX4D、ArcGIS、南方CASS和清華山維EPS分兩種方案進(jìn)行小區(qū)域大比例尺航測(cè)地形圖生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：兩種方法都可以滿足小區(qū)域大比例尺航測(cè)地形圖的生產(chǎn)要求，但采用ArcGIS和南方CASS相結(jié)合的方式生產(chǎn)速度快，效率高，易普及；采用清華山維EPS的生產(chǎn)方式精度更佳，便于數(shù)據(jù)庫(kù)生產(chǎn)和后期數(shù)據(jù)維護(hù)。

1 項(xiàng)目概括及數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

為了按期完成成縣廠壩鉛鋅礦生態(tài)恢復(fù)治理工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，需對(duì)礦區(qū)4.6 km2區(qū)域進(jìn)行快速地形圖測(cè)繪，同時(shí)提供可視化數(shù)字地表模型。測(cè)繪成果要求1:2 000 DWG 格式地形圖，以及20 cm分辨率高清影像和數(shù)字高程模型，此地區(qū)位于甘肅隴東南地區(qū)，屬山地地形，坡度介于25°～75°之間，交通便利。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)采用的是深圳飛馬D200四旋翼無(wú)人機(jī)，如圖1所示，平臺(tái)搭載了4 240萬(wàn)像素的D-CAM300航測(cè)模塊，云臺(tái)系統(tǒng)采用GIMBAL-SONY RX1RXII，傳感器尺寸為35.9 mm×24.0 mm，35 mm定焦，感光度最高可達(dá)ISO 25600，符合航空攝影平臺(tái)規(guī)范要求，地面控制站選用飛馬無(wú)人機(jī)管家，地面站可控制無(wú)人機(jī)按規(guī)劃的航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可進(jìn)行正射、傾斜攝影，也可進(jìn)行激光雷達(dá)、可見(jiàn)光、多光譜和熱紅外測(cè)量等。

圖1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

結(jié)合礦區(qū)地形特點(diǎn)，將礦區(qū)劃分為四個(gè)測(cè)區(qū)，如圖2所示測(cè)區(qū)航線示意圖，由于測(cè)區(qū)1和測(cè)區(qū)3高低落差較大，采用變高飛行來(lái)確保建筑物和低海拔區(qū)域的地物精度，測(cè)區(qū)2和測(cè)區(qū)4采用固定航高，共飛行4個(gè)架次。由于無(wú)人機(jī)具備RTK/PPK融合差分作業(yè)功能，可直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)獲取基準(zhǔn)站和POS數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了確保成果質(zhì)量，按照相關(guān)航測(cè)規(guī)范和保證立體像對(duì)后方交會(huì)精度更佳的方式[3-5]，采集少量像控點(diǎn)和若干檢核點(diǎn)。

3 航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

該項(xiàng)目采用飛馬無(wú)人機(jī)管家和PIX4D相結(jié)合的方式快速生成測(cè)區(qū)數(shù)字地表模型DSM和數(shù)字正射影像圖DOM。采用飛馬無(wú)人機(jī)管家的主要目的是進(jìn)行高精度POS數(shù)據(jù)融合解算和對(duì)原始相片進(jìn)行畸變矯正。當(dāng)然，也可直接利用PIX4D自帶的相機(jī)自檢校模型進(jìn)行畸變校正。需要注意的是，由于空三匹配中連接點(diǎn)的迭代性和線性關(guān)系，空三報(bào)告的精度并不能很好地代表成圖精度，特別是空三平差較弱區(qū)域，故在立體測(cè)圖模式下，首先應(yīng)檢核檢查點(diǎn)精度，在精度滿足測(cè)圖要求和相關(guān)規(guī)范后，方可進(jìn)行DLG生產(chǎn)作業(yè)[6]。本文將以此成果作為DLG生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 測(cè)區(qū)航線示意圖

4 ArcGIS和CASS相結(jié)合地形圖生產(chǎn)方案

傳統(tǒng)的航空攝影數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)都是在立體模型(立體像對(duì))上通過(guò)專業(yè)的采集軟件進(jìn)行，比如最常見(jiàn)的VirTuo-Zo(適普軟件)，但利用此方法存在專業(yè)性強(qiáng)，對(duì)作業(yè)人員的綜合能力要求高，且單模型數(shù)據(jù)采集速度慢，市場(chǎng)普及率低等缺點(diǎn)。下面就用最常見(jiàn)ArcGIS和CASS相結(jié)合的方式獲取滿足精度的地形圖成果。

4.1 地形數(shù)據(jù)矢量化

以最新的南方CASS10.1為平臺(tái)，利用數(shù)據(jù)工具欄中的加載大影像功能，將空三獲取的DOM高清影像直接加載到工作界面中(CASS10.1以前版本不支持超大影像數(shù)據(jù)加載，可通過(guò)裁剪方式縮小數(shù)據(jù)量和加載插件相結(jié)合的方式加載)，按照地形圖規(guī)范要求對(duì)各類地物地貌矢量化，獲取地物矢量化圖層，如圖3所示。

圖3 局部矢量化地形數(shù)據(jù)

圖4 地貌特征點(diǎn)及高程點(diǎn)

4.2 高程數(shù)據(jù)獲取

高程數(shù)據(jù)的獲取重點(diǎn)利用ArcGIS平臺(tái)，新建一個(gè)點(diǎn)圖層，依據(jù)地形圖規(guī)范對(duì)地形要素和高程點(diǎn)注記密度、分布、位數(shù)等要求，利用空三獲取的DOM高清影像提取地貌特征點(diǎn)及高程點(diǎn)，如圖4所示。具體步驟為：首先利用系統(tǒng)工具箱中的Spatial Analys Tools——提取分析——值提取至點(diǎn)，在輸入點(diǎn)要素時(shí)選擇點(diǎn)圖層，輸入柵格要素時(shí)選擇數(shù)字地表模型DSM數(shù)據(jù)，提取地形要素特征點(diǎn)和高程點(diǎn)信息，高程字段默認(rèn)為RASTERVALU。由于CASS軟件中，對(duì)高程值的定義為Elevation，故追加Elevation字段，并進(jìn)行賦值運(yùn)算，最后導(dǎo)出DWG格式并含有高程信息的點(diǎn)文件數(shù)據(jù)。

4.3 地形圖成圖編輯

利用要素轉(zhuǎn)CAD，將ArcGIS中的點(diǎn)文件數(shù)據(jù)輸出為DXF格式(或DWG格式)。然后在CASS軟件中，首先將獲取的高程數(shù)據(jù)和矢量化數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后利用高程數(shù)據(jù)生成等高線，最后，對(duì)整個(gè)地形圖進(jìn)行綜合、整飾等處理，得到滿足要求的DWG格式的地形圖成果。ArcGIS+CASS局部地形圖成果如圖5所示。

圖5 ArcGIS+CASS局部地形圖成果

5 EPS地形圖生產(chǎn)方案

清華山維EPS進(jìn)行地形圖生產(chǎn)在很大程度上可以理解為ArcGIS和CASS的結(jié)合體，不僅具有ArcGIS龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，還具有南方CASS軟件超強(qiáng)的圖形編輯功能。其主要優(yōu)勢(shì)是可以直接加載超大影像數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)，也可利用上述基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)進(jìn)行地形圖生產(chǎn)和后期數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。

5.1 地形數(shù)據(jù)矢量化

以清華山維EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)為平臺(tái)，利用三維測(cè)圖工具欄中生成垂直投影模型工具，將空三獲取的DOM和DSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EPS可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，加載此垂直投影數(shù)據(jù)，同時(shí)打開(kāi)二三維同步功能，采取二維和三維聯(lián)動(dòng)模式，采集地形數(shù)據(jù)。此方法進(jìn)行地形圖數(shù)字線劃的最大優(yōu)勢(shì)是可以利用三維窗口，實(shí)時(shí)獲取真實(shí)的地形地貌特征，成圖精度更高。EPS二三維聯(lián)動(dòng)矢量化如圖6所示。

圖6 EPS二三維聯(lián)動(dòng)矢量化

5.2 高程數(shù)據(jù)獲取

由于利用DOM和DSM生成的垂直投影數(shù)據(jù)覆蓋于地表，無(wú)法更好地將植被、建筑物等高程進(jìn)行過(guò)濾，故還是應(yīng)該采取人工提取地形地物高程的方式，獲取準(zhǔn)確高程數(shù)據(jù)。具體步驟為：利用三維測(cè)圖工具欄——等高線高程點(diǎn)——提取高程點(diǎn)功能，依據(jù)地形圖規(guī)范對(duì)地形要素和高程點(diǎn)注記密度、分布、位數(shù)等要求，采用人工加點(diǎn)方式提取高程點(diǎn)。當(dāng)然，針對(duì)地形地貌較為簡(jiǎn)單，且無(wú)地物覆蓋、高程準(zhǔn)確的區(qū)域，也可采用面選方式批量提取高程點(diǎn)。EPS提取高程點(diǎn)如圖7所示。

圖7 EPS提取高程點(diǎn)

5.3 地形圖成圖編輯

在矢量化和提取高程點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用地膜處理工具欄中的生成三角網(wǎng)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，進(jìn)一步生成等高線。然后對(duì)整個(gè)地形圖成果進(jìn)行綜合、整飾、數(shù)據(jù)質(zhì)檢等后續(xù)處理，獲取最終的地形圖成果。由于EPS生成的地形圖為EDB格式，故導(dǎo)出最終成果時(shí)需選擇工具欄中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能輸出DWG格式。EPS中局部地形圖成果如圖8所示。

6 兩種成圖方法精度分析

為了比較兩種成圖方案的成圖精度，選擇礦區(qū)10個(gè)檢核點(diǎn)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， ArcGIS+CASS成圖方案的成圖精度統(tǒng)計(jì)情況如表1所示，EPS成圖方案的成圖精度統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，兩種成圖方案成圖精度中誤差如表3所示。

圖8 EPS中局部地形圖成果

表1 ArcGIS+CASS成圖方案的成圖精度統(tǒng)計(jì)表/m

表2 EPS成圖方案的成圖精度統(tǒng)計(jì)表/m

表3 兩種成圖方案的成圖精度中誤差統(tǒng)計(jì)表/m

依據(jù)低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范[7]和1:500 1:1 000 1:2 000 地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范[8]，數(shù)字線劃圖(B類)1:500地物點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差為0.6 m(平地、丘陵地)，高程中誤差為不超過(guò)0.7 m(平地、丘陵地)；基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1:500 1:1 000 1:2 000數(shù)字線劃圖[9]，1:500平面位置精度為0.3 m(平地、丘陵地)，1:2 000平面位置精度為1.2 m(平地、丘陵地)，1:500高程注記點(diǎn)高程中誤差為0.4 m(丘陵地)，1:2 000高程注記點(diǎn)高程中誤差為0.5 m(丘陵地)。從表1和表2可看出，上述兩種成圖方案都能滿足大比例尺地形圖測(cè)圖規(guī)范和精度要求。

從表3的兩種成圖方案的成圖精度結(jié)果可知，在平面精度方面，采用ArcGIS+CASS成圖方案和EPS成圖方案基本一致，而在高程精度方面，EPS成圖方案明顯優(yōu)于ArcGIS+CASS成圖方案，其主要原因?yàn)槿S可視化可以大大提高地物辨識(shí)度，從而提高成圖整體精度。

7 結(jié) 論

本文通過(guò)實(shí)踐對(duì)比分析表明，兩種成圖方案都能滿足小區(qū)域大比例尺航測(cè)地形圖成圖要求，且方案一中采用的ArcGIS和CASS為最常見(jiàn)的成圖軟件，大大降低生產(chǎn)成本投入，加快成圖效率，易普及。方案二中采用EPS成圖，其成圖精度明顯優(yōu)于方案一，特別是高程精度方面，且EPS具有龐大的空間邏輯和圖屬一致性功能，便于后期數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。當(dāng)然，針對(duì)如何提高整個(gè)航測(cè)地形圖的精度，還有諸多因素要考慮，比如：POS值的精度，像機(jī)的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)的確定，空三平差的過(guò)程控制，迭代算法的優(yōu)化等。