基于傾斜攝影測量的溶丘洼地高原區(qū)地形圖測繪應用研究

王小東

(三贏土地房地產(chǎn)評估咨詢股份有限公司 海南?？?570100)

在一系列的高原地區(qū)的地形測量中，由于氣候復雜、海拔高、地理環(huán)境復雜，翻山越嶺、背扛監(jiān)測設(shè)備、日夜蹲守勘測的傳統(tǒng)測量方式明顯無法適應現(xiàn)階段地形測量工作的實際需求，因此造成了諸如地籍檔案簡略、地理數(shù)據(jù)粗糙、人員素質(zhì)低下等頑疾[1]。所以，采用基于傾斜攝影測量技術(shù)的低空無人機航測系統(tǒng)來獲取、更新地形圖及地理信息數(shù)據(jù)已經(jīng)取代了純?nèi)斯げ杉瘻y量數(shù)據(jù)，成為目前地形測繪的主要技術(shù)手段[2]。傾斜攝影測量技術(shù)是近年來隨著航空攝影技術(shù)的進步與創(chuàng)新應運而生的一項高新技術(shù)。通過在飛行平臺上搭載先進的傳感器，在低空從傾斜、垂直等不同角度對地面進行攝影測量，從而獲取較為完整精確的地面高分辨率航測影像信息[3]。該文基于傾斜攝影測量技術(shù)，采用EPS三維測圖系統(tǒng)采集項目區(qū)地形數(shù)據(jù)，最終形成1∶500數(shù)字地形圖。

EPS三維測圖系統(tǒng)是EPS地理信息工作站研發(fā)的多源多模一體化采編系統(tǒng)。系統(tǒng)提供基于立體像對、正射影像、全景影像、實景三維模型、點云等數(shù)據(jù)的二三維一體化高效采編工具，直接對接基礎(chǔ)地形測繪、三維不動產(chǎn)測量、自然資源調(diào)查等專業(yè)應用[4]。通過三維測圖系統(tǒng)測得的數(shù)字地形圖精度可達到厘米級，地形圖的高程精度甚至可以接近平面坐標精度水平[5]。

該文主要結(jié)合貴州甕安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)1∶500 地形圖測量項目，采用無人機傾斜攝影測量重點完成甕安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)1∶500地形圖航測工作以及像片調(diào)繪工作。

1 項目概況

根據(jù)國家相關(guān)要求，需要重新開展融合土地利用規(guī)劃和城鄉(xiāng)規(guī)劃的國土空間規(guī)劃的編制工作，縣級國土空間規(guī)劃是國土空間規(guī)劃的重要組成部分，是落實國家、省級、市級空間規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和主要載體，兼具保護和發(fā)展的屬性。對政府，縣級國土空間規(guī)劃應是統(tǒng)一行使所有國土空間用途管制的法定依據(jù)；對于市場，縣級國土空間規(guī)劃是協(xié)調(diào)保護和發(fā)展的公共政策，是全域國土空間開發(fā)和保護的總監(jiān)圖，為市場提供明確指引；現(xiàn)行總規(guī)逐漸無法適應當前的發(fā)展需求。結(jié)合甕安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)的實際情況，該項目測量范圍包含青坑基礎(chǔ)化工區(qū)（約11 km2）所有地形地貌情況，為接下來的甕安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)控制性詳細規(guī)劃提供1∶500基礎(chǔ)地形資料奠定基礎(chǔ)。

1.1 任務區(qū)概況

項目區(qū)地處云貴高原第二階梯，位于烏江中游，烏江橫貫北部，黔中北腹地，屬黔中北部溶丘洼地高原區(qū)，中部平緩、地勢東南高、西北低，最低點海拔479 m，最高處海拔1 567 m，平均海拔1 028 m，區(qū)內(nèi)地貌復雜多樣。

1.2 像控點布設(shè)

像控點的布設(shè)與點位的選擇應保證其在內(nèi)業(yè)刺點中影像清晰且易于辨別，為空三加密過程中的相片刺點提供便利，像控點常選取在地面標志的角點、明顯地物的拐點、建（構(gòu)）筑物的角點等或直接選取較小的影像中顯示為點狀要素的地物中心[6]。在空三加密中，像控點分為高程點、平面點、平高點、高程檢查點等。該項目主要以平高點為主，采取區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案。區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點之間的跨度以能滿足空中三角測量精度要求為原則。此次像控點具體布設(shè)方案為：在區(qū)域網(wǎng)最后一條航線垂直于航線方向和第一條航線且間隔一條航線上分別布設(shè)一排平高控制點，各條航線之間每隔5 條基線就布設(shè)平高控制點，并在區(qū)域網(wǎng)不規(guī)則處適當增加平高控制點。

2 作業(yè)方法及流程

無人機低空航攝技術(shù)主要包括準備工作、外業(yè)航攝及像控點測量、內(nèi)業(yè)成圖和外業(yè)調(diào)繪這5個階段，具體如下。（1）準備工作：收集資料、現(xiàn)場踏勘、分析資料、技術(shù)設(shè)計；（2）像控點測量：像控點布設(shè)、像控點測量、資料整理；（3）航空攝影；（4）內(nèi)業(yè)成圖：影響畸變改正、空三加密、立體測圖、內(nèi)業(yè)粗編；（5）外業(yè)調(diào)繪：地物補測、屬性調(diào)查、地名調(diào)繪、最后內(nèi)業(yè)編輯。

2.1 像控點測量

像控點測量采用基于千尋網(wǎng)絡RTK 測量方法進行施測，每個像控點在架設(shè)三腳架對中基礎(chǔ)上均測量10 次，并通過測量手簿自帶工具進行坐標平差，最終得到較為精準的像控點坐標。

2.2 航空攝影

此次航攝作業(yè)采用飛控平臺自帶的開源高分辨率地球影像作為航線設(shè)計用圖，航攝高度設(shè)計以公開的全球30 m 精度DEM 作為依據(jù)。根據(jù)無人機航空攝影測量規(guī)范，綜合任務區(qū)的地形地貌條件、考慮基高比、測圖精度及等高距，結(jié)合成本、效率、效果等因素，確定此次航攝地面分辨率（GSD）為5 cm。在航攝的過程中根據(jù)任務區(qū)地形起伏進行分區(qū)設(shè)計，每個任務分區(qū)之間根據(jù)任務區(qū)地形起伏相對應設(shè)計不同相對航高。航空攝影的航高直接與地面分辨率（GSD）相關(guān)，其數(shù)學關(guān)系滿足正相關(guān)，如圖1所示。

圖1 地面分辨率與航高關(guān)系圖

式（1）中：a為像元尺寸；h為飛行高度；GSD為地面分辨率；f為鏡頭焦距。

通過計算分析，該項目相對飛行高度確定為：地面分辨率=5 cm，相對飛行高度=150 m。

2.3 空三加密

空三加密：根據(jù)野外實測的少量像控點，通過空三軟件進行控制點加密，求得加密點的平面坐標和高程的測量方法[7]。

加密區(qū)域概況與精度敘述如下。（1）空三加密軟件：全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)Postflight Terra 3D；（2）平面控制點共23 個，其中包含16 個定向點，7 個檢查點；（3）高程控制點共23 個，其中包含16 個定向點，7 個檢查點；（4）空三加密精度統(tǒng)計：X方向平均值=±0.014，Y方向平均值=±0.016，Z方向平均值=±0.190；X方向最大值=±0.043，Y方向最大值=±0.044，Z方向最大值=±0.583；X方向中誤差=±0.019，Y方向中誤差=±0.020，Z方向中誤差=±0.240；平面（S）中誤差=±0.027，平面（S）差最大=±0.050。

2.4 立體測圖

該項目采用EPS三維測圖系統(tǒng)，依據(jù)實景三維模型并輔于外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集任務區(qū)地形等高線及所有地物要素。其中，地形要素采集按南方CASS成圖系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)標準。EPS傾斜攝影三維測圖支持三維實景模型同步生成正射影像，在沒有DOM數(shù)據(jù)的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)正射與模型同步，同時保證分辨率不失真。在三維實景模型上添加多個不同高程的水平切片，并將模型輪廓映射到二維視圖窗口進行測圖，不僅滿足建筑物不同樓層不同輪廓的矢量采集，更是提高了建筑物的采集精度。該系統(tǒng)自動提取高程點與生成等高線，在有植被覆蓋的區(qū)域，根據(jù)調(diào)整傾斜模型上生成的三角網(wǎng)與地形表面的貼合程度來修改錯誤高程點，使提取出來的高程點更加吻合地形的變化，從而得到精確的等高線。

2.5 像片調(diào)繪及地形圖精編

2.5.1 像片調(diào)繪

（1）外業(yè)補測、補調(diào)的內(nèi)容一律以紅色注記表示在圖紙上；對可舍去不表示的地物和已拆除的建筑物，均在外業(yè)調(diào)繪圖上做刪除標記，清晰地將外業(yè)定性表示和房檐改正等內(nèi)容表示出來。（2）該項目測繪的地貌要素、地物均在外業(yè)實地進行調(diào)繪，對內(nèi)業(yè)測圖時遺漏、判定不準、看不清的地物，均在野外補測、補調(diào)。外業(yè)調(diào)繪的內(nèi)容清晰易讀地表示在圖上，各處注記位置恰當，準確無誤，書寫工整。（3）各種現(xiàn)狀地物，如排水邊溝、國防或通信光纜、舊路的波形護欄、蓋板溝等均實測其結(jié)構(gòu)物的走向、位置、長度。（4）調(diào)繪圖的數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一采用南方Cass專用軟件進行圖形編輯和數(shù)據(jù)處理。

2.5.2 地形圖精編

（1）最終地形圖的精編工作統(tǒng)一采用南方CASS專用軟件進行數(shù)據(jù)編輯。（2）圖形編輯的注記、符號、線寬、線型等執(zhí)行《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1—2007）的規(guī)定。（3）內(nèi)業(yè)根據(jù)野外調(diào)繪和立體測圖成果，在計算機上進行圖形編輯和房檐改正。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪的檢校數(shù)據(jù)進行相關(guān)檢查，超限的部分反饋至外業(yè)進行處理，補繪新增地物。（4）在立體測圖采集的等高線基礎(chǔ)上做適當編輯，使等高線走向合理，線條光滑，避免抖動，微小地貌不做等高線表示，等高線不穿越密集居民地。當梯田坎坡腳與坡頂間寬度大于1 m 時，其寬度依比例尺表示。梯田坎過密，兩坎間距離小于4 m時不表示。（5）碎部點高程注至0.01 m，碎部點的間距為10～15 m。（6）數(shù)字注記及漢字注記根據(jù)外業(yè)調(diào)繪圖按圖式表示，地形圖各種要素之間按《國家基本比例尺地圖圖式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1—2007）要求合理配置。

3 精度分析及成果評價

3.1 精度分析

傾斜攝影測量的誤差主要來源于像控點布設(shè)、影像質(zhì)量、影像重疊度和畸變[8]，其精度分析是將從實景三維模型中提取每個檢查點對應位置的模型坐標與檢查點的測量坐標做對比進行精度評估[9]。為保證測圖精度符合要求，在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)檢查點20 個，并采用網(wǎng)絡RTK在現(xiàn)場對檢查點測量10次并進行平差，得到較為精準的檢查點坐標，檢查點從JH01～JH20 進行編號。表1為精度統(tǒng)計結(jié)果。

表1 精度統(tǒng)計表

從表1 中可知，將20 個檢查點在實景三維模型上的坐標與對應位置實際測量的坐標進行對比后得出，X方向中誤差=±0.032 m，Y方向中誤差=±0.037 m，Z方向中誤差=±0.211 m；平面中誤差=±0.049 m，高程中誤差=±0.211 m。均符合《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GBT 7930—2008）中1∶500比例尺高原山區(qū)的精度要求。

3.2 成果評價

控制和地形圖測繪工作結(jié)束后，進行“兩級檢查一級驗收”工作，并通過業(yè)主組織的專家評審驗收，做出以下檢查結(jié)論：該項目測繪成果符合規(guī)范及設(shè)計要求控制測量部分按規(guī)程操作，精度良好，資料齊全；地形圖測繪外業(yè)部分，數(shù)學精度良好，地物表示合理，圖式符號運用正確，地理景觀描述恰當，滿足規(guī)范及設(shè)計要求；總體質(zhì)量為合格，能滿足下工序作業(yè)前的要求。

4 結(jié)語

該文利用傾斜攝影測量技術(shù)完成了貴州甕安經(jīng)濟開發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)11 km2的1∶500 地形圖測繪，平面中誤差、高程中誤差、成圖精度均滿足相關(guān)要求?；趦A斜攝影測量技術(shù)對復雜地形地貌的溶丘洼地高原區(qū)進行無人機航攝，在提高了測量的作業(yè)效率、數(shù)據(jù)精度、作業(yè)安全水平的同時也節(jié)省了大量人力物力，并解決了傳統(tǒng)測量手段在高原復雜地形獲取三維地理信息能力不足的問題。通過項目實踐表明，基于傾斜攝影測量技術(shù)的無人機航測系統(tǒng)可滿足溶丘洼地高原區(qū)的大比例尺地形圖測繪項目的需求。

利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)在溶丘洼地高原區(qū)大比例尺地形圖測繪過程中也存在著以下技術(shù)難點：一是黔中北溶丘洼地高原區(qū)地形起伏較大，山峰林立，常年有植被覆蓋，精準的地表高程數(shù)據(jù)獲取困難；二是傾斜攝影測量往往數(shù)據(jù)量較大，對計算機軟硬件配置要求高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理難度大，作業(yè)輔助工具成本較高。這些不足還需在往后的傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展中不斷地改進和完善，使得傾斜攝影測量技術(shù)更加實用、高效、成熟。