二三維一體化新型基礎(chǔ)測(cè)繪實(shí)施探索

馮沖，韓健，溫旭昶

(1.廣西光譜空間信息科技有限公司，廣西 南寧 530000； 2.廣西華遙空間信息科技有限公司，廣西 南寧 530000； 3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

基礎(chǔ)測(cè)繪是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作，其目的是建立全國(guó)統(tǒng)一的測(cè)繪基準(zhǔn)和測(cè)繪系統(tǒng)，獲取基礎(chǔ)地理信息資料。隨著測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步以及社會(huì)各行業(yè)對(duì)測(cè)繪資料的新需求，構(gòu)建新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系已經(jīng)成為新時(shí)代基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型的必由之路[1]。2015年6月，國(guó)務(wù)院批復(fù)同意的《全國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2015-2030年)》提出了到2030年全面建成新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系的目標(biāo)，因此，加快推進(jìn)基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)體系的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測(cè)繪的立體化統(tǒng)一管理，積極引入新型測(cè)繪手段已成為測(cè)繪地理信息行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的必然要求和戰(zhàn)略選擇[2]。

在傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)中，往往需要多次數(shù)據(jù)采集和處理才能分別得到二維、三維的空間信息產(chǎn)品，這就需要依賴(lài)大量的人力，作業(yè)效率低下。而二三維一體化技術(shù)可以在一次數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上同時(shí)完成二三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)，而且主要依靠計(jì)算機(jī)運(yùn)算，具有很高的集成度，可以方便快速地建設(shè)基礎(chǔ)測(cè)繪的三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本，提高了基礎(chǔ)測(cè)繪的作業(yè)效率?；诖耍疚囊詮V西某地?cái)?shù)字化地形圖測(cè)繪及實(shí)景模型三維數(shù)據(jù)采集工作為研究對(duì)象，探索二三維一體化技術(shù)在新型基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)中的實(shí)施應(yīng)用，分析其作業(yè)精度，為未來(lái)新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系的構(gòu)建提供思路。

2 研究方法

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于廣西壯族自治區(qū)中北部，涉及測(cè)區(qū)面積約 80 km2，測(cè)區(qū)內(nèi)各個(gè)村落均有公路連接，交通便利。項(xiàng)目采用航測(cè)法作業(yè)，需要在4個(gè)月內(nèi)得到測(cè)區(qū) 0.05 m分辨率的三維模型、1∶1 000 DOM、1∶1 000 DEM和 1∶1 000的測(cè)區(qū)地形圖。

2.2 技術(shù)要求

為保證基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，依據(jù)相關(guān)測(cè)量規(guī)范和設(shè)計(jì)書(shū)的技術(shù)要求，列出本項(xiàng)目的精度要求如表1所示。

表1 項(xiàng)目精度指標(biāo)表

2.3 作業(yè)流程

項(xiàng)目采用內(nèi)外業(yè)一體化航測(cè)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，主要包括資料收集、無(wú)人機(jī)航空攝影、像控測(cè)量、三維實(shí)景建模、航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖、外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)、成圖編輯、成果入庫(kù)等環(huán)節(jié)，具體流程如圖1所示。需要嚴(yán)格控制每個(gè)環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量，各環(huán)節(jié)質(zhì)檢合格后才可移交下一環(huán)節(jié)。

圖1 項(xiàng)目作業(yè)流程圖

2.4 二三維一體化技術(shù)的應(yīng)用

(1)測(cè)繪數(shù)據(jù)的采集

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)碼相機(jī)的更新?lián)Q代，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)中，很大程度上取代了過(guò)去基于二維平面作業(yè)的GPS聯(lián)合全站儀的作業(yè)方法，可以得到高精度的測(cè)區(qū)三維模型。但是，在高山峽谷等地形復(fù)雜地區(qū)布設(shè)和測(cè)量像控點(diǎn)的難度極大，會(huì)影響航測(cè)中空中三角測(cè)量的質(zhì)量，難以獲得高精度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，而且由于無(wú)人機(jī)飛行高度和航攝儀傾斜角度的限制，傾斜攝影測(cè)量所得的三維模型在靠近地面部分會(huì)出現(xiàn)紋理模糊、扭曲變形的現(xiàn)象，也無(wú)法還原地面被遮蔽區(qū)域的紋理信息，無(wú)法滿(mǎn)足新時(shí)代基礎(chǔ)測(cè)繪“全覆蓋、無(wú)死角、高精度”的需求[3]。所以，僅依靠單一技術(shù)手段無(wú)法勝任快速高效的成圖需求，而將二維的圖根控制測(cè)量數(shù)據(jù)與三維傾斜影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，在圖根點(diǎn)中提取部分特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，與像控點(diǎn)共同參與空三解算，進(jìn)行一體化數(shù)據(jù)處理可以有效地解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)空地一體，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，數(shù)據(jù)采集的流程如圖2所示。

圖2 空地一體化數(shù)據(jù)采集流程圖

本項(xiàng)目所在測(cè)區(qū)已被E級(jí)控制網(wǎng)所覆蓋，測(cè)區(qū)首級(jí)控制可以滿(mǎn)足圖根控制測(cè)量的條件，所以采用網(wǎng)絡(luò)RTK的方法直接測(cè)量圖根控制點(diǎn)，像控點(diǎn)的測(cè)量同樣采用網(wǎng)絡(luò)RTK法。施測(cè)時(shí)，使用廣西GX-CORS系統(tǒng)獲得平面坐標(biāo)，結(jié)合廣西似大地水準(zhǔn)面精化成果獲取高程坐標(biāo)，在每時(shí)段作業(yè)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都要與測(cè)區(qū)的已知點(diǎn)和已測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保測(cè)量精度，這樣即可得到可靠的圖根點(diǎn)坐標(biāo)和像控點(diǎn)坐標(biāo)。

三維數(shù)據(jù)的獲取需要借助于傾斜攝影測(cè)量，根據(jù)地形起伏情況將測(cè)區(qū)劃分為北部平坦區(qū)域和南部丘陵區(qū)域，分別設(shè)計(jì)兩套航飛方案，參數(shù)如表2所示。選擇晴朗少云、能見(jiàn)度在2000米以上的天氣進(jìn)行航飛作業(yè)，獲取測(cè)區(qū)的傾斜影像。

表2 測(cè)區(qū)航飛方案設(shè)計(jì)參數(shù)表

(2)地形圖的生成

地形圖是基礎(chǔ)測(cè)繪工作中最重要和應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)時(shí)，必須同步繪制觀測(cè)草圖，記錄所測(cè)地物的形狀并注記測(cè)點(diǎn)的序號(hào)，在內(nèi)業(yè)處理中將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，在測(cè)圖軟件中對(duì)照觀測(cè)草圖對(duì)導(dǎo)入的地物點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行勾繪處理，從而得到測(cè)區(qū)地形圖數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的采集和編輯互相分離的作業(yè)模式顯然降低了工作效率，而且觀測(cè)草圖的質(zhì)量直接影響最終地形圖的質(zhì)量。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的引入逐漸取代了過(guò)去的觀測(cè)草圖，是當(dāng)前數(shù)字地形圖獲取的主要手段之一。傾斜攝影立體測(cè)圖能夠獲取高精度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，數(shù)字地形圖的生產(chǎn)主要利用攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)區(qū)三維數(shù)據(jù)的采集，然后導(dǎo)入繪圖軟件進(jìn)行編輯，最終得到DLG入庫(kù)數(shù)據(jù)和制圖數(shù)據(jù)[4]。這種方法雖然免除了觀測(cè)草圖的繪制，但是三維數(shù)據(jù)的采集與編輯過(guò)程相互獨(dú)立，必須在采編軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，加大了工作量，無(wú)法滿(mǎn)足地形圖的快速生產(chǎn)。

二三維一體化技術(shù)可以很好地解決過(guò)去傾斜攝影測(cè)量中數(shù)據(jù)采編相互分離的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地形圖采編一體化作業(yè)，應(yīng)用二三維一體化技術(shù)進(jìn)行地形圖繪制的作業(yè)流程如圖3所示[4]。

圖3 二三維一體化地形圖繪制作業(yè)流程圖

對(duì)傾斜攝影測(cè)量獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)定向、像控刺點(diǎn)、絕對(duì)定向和核線重采樣之后就可以得到測(cè)區(qū)三維模型和數(shù)字正射影像等產(chǎn)品。在清華山維EPS軟件中新建測(cè)圖工程，采用分屏方式同步加載測(cè)區(qū)三維模型和正射影像數(shù)據(jù)，通過(guò)矢量數(shù)據(jù)的三維映射對(duì)模型進(jìn)行立體量測(cè)，就可以同時(shí)進(jìn)行地物數(shù)據(jù)的采集和屬性信息的編輯，進(jìn)而完成各類(lèi)地物的勾繪[5]。在成圖過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：

①繪圖時(shí)遵循由整體到局部、由精確到一般的原則，逐級(jí)采集三維模型數(shù)據(jù)，先繪制測(cè)區(qū)內(nèi)主要的道路、建筑、河流，再勾繪次要地物。

②對(duì)各類(lèi)地物分層管理，可以根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況將地物分為定位基礎(chǔ)、行政區(qū)劃、水系、交通、居民地、管線、地貌、植被等八大類(lèi)要素以便于后續(xù)入庫(kù)管理[6]。

③對(duì)于建筑、道路等精度要求較高的地物采用放大屏幕的方法控制誤差，菜地、果園等一般地物的繪制，屏幕不需要放很大，以此來(lái)提高成圖效率[7]。

這樣二三維一體化作業(yè)克服了過(guò)去采編獨(dú)立帶來(lái)的問(wèn)題，而且繪制所得的地形圖自身融合了測(cè)區(qū)三維信息，可以為測(cè)區(qū)的土地利用規(guī)劃和地籍測(cè)量等領(lǐng)域提供新的解決方案。圖4展示了在軟件中采集編繪房屋的示意圖。

圖4 采集編繪房屋示意圖

3 精度評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度

(1)DEM成果精度

采用實(shí)地抽樣檢查的方式對(duì)DEM的精度進(jìn)行評(píng)定，將測(cè)區(qū)按地形分為平地、丘陵和山地三類(lèi)區(qū)域，共選擇54個(gè)檢查點(diǎn)，利用GPS RTK和全站儀的測(cè)量結(jié)果作為檢查點(diǎn)坐標(biāo)真值，與DEM上對(duì)應(yīng)檢查點(diǎn)的高程進(jìn)行對(duì)比評(píng)定，DEM的精度評(píng)定表如表3所示。

表3 DEM精度評(píng)定表

經(jīng)檢驗(yàn)，DEM的精度為10.13 cm，符合項(xiàng)目精度要求。

(2)DOM成果精度

對(duì)DOM影像進(jìn)行100%的內(nèi)業(yè)檢查，位置精度通過(guò)實(shí)地抽樣檢查，選取的54個(gè)檢查點(diǎn)與抽查DEM時(shí)相同，將檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)與DOM圖上坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比評(píng)定，DOM的精度評(píng)定表如表4所示。

表4 DOM精度評(píng)定表

經(jīng)檢驗(yàn)，DOM的精度為8.04 cm，滿(mǎn)足項(xiàng)目精度要求。

(3)DLG成果精度

對(duì)地形圖的檢查內(nèi)容包括地形圖平面精度、地形圖高程精度、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性、整飾質(zhì)量和附件質(zhì)量。平面精度和高程精度均通過(guò)抽樣檢查的方式進(jìn)行評(píng)判，在測(cè)區(qū)內(nèi)分別選取65個(gè)平面檢查點(diǎn)和76個(gè)高程檢查點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量并與地形圖上坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比評(píng)定，精度評(píng)定表分別如表5、表6所示。采用人工檢測(cè)的方式對(duì)地形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正確性、整飾質(zhì)量和附件質(zhì)量進(jìn)行檢查評(píng)定。

表5 DLG平面精度評(píng)定表

表6 DLG高程精度評(píng)定表

經(jīng)檢驗(yàn)，地形圖的平面精度為 8.37 cm，高程精度為 11.02 cm，空間參考系和時(shí)間精度均符合要求，各地形要素采集基本正確，點(diǎn)線面要素的幾何表達(dá)、圖形綜合取舍均符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，與周?chē)鷪D幅的幾何位置和屬性接邊均正確，沒(méi)有出現(xiàn)重要項(xiàng)目的錯(cuò)漏，地形圖質(zhì)量滿(mǎn)足技術(shù)要求。

(4)其他精度

項(xiàng)目外業(yè)所測(cè)像控點(diǎn)的平面中誤差為 2.8 cm，高程中誤差為 3.1 cm，符合設(shè)計(jì)書(shū)要求?？杖用芎笏傻娜S模型成果的空間參考系和時(shí)間精度均滿(mǎn)足項(xiàng)目要求，模型的平面中誤差為 6.65 cm，高程中誤差為 7.89 cm，模型接邊準(zhǔn)確、無(wú)明顯縫隙，精細(xì)度符合要求。

3.2 結(jié)果分析與展望

數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度表明二三維一體化技術(shù)的應(yīng)用完全滿(mǎn)足基礎(chǔ)測(cè)繪的質(zhì)量要求，項(xiàng)目所得的 1∶1 000地形圖和實(shí)景三維模型在檢驗(yàn)中達(dá)到了優(yōu)級(jí)品的水準(zhǔn)，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)方法提高了50%以上，日均工作成本節(jié)約60%以上，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)只占預(yù)期經(jīng)費(fèi)的60%，所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá) 1 000萬(wàn)以上，這些數(shù)據(jù)都證明了二三位一體化技術(shù)在基礎(chǔ)測(cè)繪中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。相比較于傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)，本項(xiàng)目中二三維一體化技術(shù)的應(yīng)用具有以下5個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

(1)無(wú)死角測(cè)圖，實(shí)現(xiàn)真正的全景測(cè)量，可以采集更豐富的地物特征信息，能更好地服務(wù)于各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，滿(mǎn)足新時(shí)期智慧城市云服務(wù)的需求。

(2)一次采集就可以得到多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并且可以在產(chǎn)品的基礎(chǔ)上快速衍生，按需投入進(jìn)行定制。例如，可以在三維模型基礎(chǔ)上衍生出專(zhuān)題地形圖，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的建筑頂部私自搭建的違章建筑進(jìn)行采集和面積計(jì)算，服務(wù)于城市管理部分。

(3)高精度，可以滿(mǎn)足地籍和房產(chǎn)測(cè)繪的需求，顛覆了傳統(tǒng)測(cè)繪的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，可以把傳統(tǒng)礦山測(cè)量的格網(wǎng)密度由十米級(jí)、米級(jí)提高到分米級(jí)甚至厘米級(jí)，實(shí)現(xiàn)跨越式提升。

(4)作業(yè)效率提高，不需或只需布設(shè)少量外業(yè)像控點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理依賴(lài)集群計(jì)算，自動(dòng)化程度更高。

(5)集成度高，一套系統(tǒng)就可以處理傾斜攝影的海量數(shù)據(jù)，可以有效保障基礎(chǔ)測(cè)繪信息的生產(chǎn)、服務(wù)和更新。

當(dāng)前的基礎(chǔ)測(cè)繪正在向信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，越來(lái)越多的新型測(cè)繪技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)服務(wù)于我國(guó)的測(cè)繪事業(yè)，未來(lái)的基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)可以從技術(shù)手段、工作內(nèi)容、成果形式和生產(chǎn)服務(wù)模式四個(gè)方面更新完善[8]。在技術(shù)手段上，可以利用可量測(cè)的數(shù)碼相機(jī)或車(chē)載激光掃描儀來(lái)獲取近地測(cè)繪數(shù)據(jù)，取代過(guò)去的圖根控制測(cè)量，再融合無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量構(gòu)成高度自動(dòng)化的二三維一體化基礎(chǔ)測(cè)繪體系，達(dá)到全方位測(cè)圖的效果[3，9，10]。未來(lái)還可以融入遙感技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，完善數(shù)據(jù)資料的多元獲取方式，將空地一體化擴(kuò)展到空天地一體化，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、海陸兼顧。在工作內(nèi)容上，可以加強(qiáng)對(duì)云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的研究，進(jìn)一步優(yōu)化基礎(chǔ)測(cè)繪的作業(yè)流程，開(kāi)發(fā)一套集方案規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理和信息系統(tǒng)于一體的基礎(chǔ)測(cè)繪系統(tǒng)，促進(jìn)數(shù)據(jù)處理的一體化，提高作業(yè)效率，提升測(cè)繪行業(yè)面對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急保障能力[11]。在成果形式上，不再局限于過(guò)去的紙質(zhì)地形圖，積極推進(jìn)三維實(shí)景地圖、城市精細(xì)化模型的構(gòu)建，利用云存儲(chǔ)等技術(shù)建設(shè)新型地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)海量成果數(shù)據(jù)的查詢(xún)、管理和應(yīng)用。在生產(chǎn)服務(wù)模式上，基礎(chǔ)測(cè)繪應(yīng)將服務(wù)對(duì)象從測(cè)繪地理信息行業(yè)轉(zhuǎn)向全行業(yè)，豐富測(cè)繪產(chǎn)品的種類(lèi)和應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行及時(shí)更新，向社會(huì)提供多樣化個(gè)性化的服務(wù)，促進(jìn)新型基礎(chǔ)測(cè)繪大眾化公益化的有效實(shí)施。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了二三維一體化技術(shù)在廣西某地基礎(chǔ)測(cè)繪的應(yīng)用，歸納整理了二三維一體化采編作業(yè)的流程和技術(shù)要點(diǎn)，分析了作業(yè)精度，驗(yàn)證了其在新型基礎(chǔ)測(cè)繪作業(yè)中具有很好的可行性和應(yīng)用價(jià)值。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、高速通信技術(shù)快速發(fā)展之際，二三維一體化作業(yè)流程會(huì)進(jìn)一步得到規(guī)范和優(yōu)化，逐步形成高效智能的生產(chǎn)、管理、服務(wù)體系，從而為社會(huì)各界提供應(yīng)用場(chǎng)景更廣、更新周期更短、數(shù)據(jù)精度更高的基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品和服務(wù)，更好地保障國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪信息平臺(tái)的良好運(yùn)行。