綜合利用多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)開展山區(qū)帶狀復(fù)雜地形測(cè)繪探究

李 璐

（貴州省第一測(cè)繪院，貴州 貴陽 550000）

目前，大比例尺地形圖（1∶500、1∶1000、1∶2000）測(cè)繪主要采用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方式或基于傾斜實(shí)景三維模型采集方式開展，技術(shù)路線一般采用“內(nèi)-外-內(nèi)”的方式，在立體像對(duì)或三維模型上采集地形地物要素，充分利用已有資料并疊加正射影像圖開展外業(yè)調(diào)繪，最后結(jié)合外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)編繪和整理出圖。但傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量和基于傾斜實(shí)景三維模型開展地形圖測(cè)量方式各具優(yōu)缺點(diǎn)，尤其在山區(qū)地形復(fù)雜區(qū)域，面臨數(shù)據(jù)獲取難、地形測(cè)繪工作量大、外業(yè)工作艱辛等困難，大比例尺地形圖測(cè)繪工作效率較低。

文章基于貴州山區(qū)帶狀地形圖測(cè)繪項(xiàng)目，探索綜合利用多源數(shù)據(jù)的創(chuàng)新方式，充分發(fā)揮各數(shù)據(jù)源優(yōu)勢(shì)，破解技術(shù)難點(diǎn)，最大程度減少外業(yè)工作量，提高工作效率。

1 現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)

航空攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，在數(shù)字化測(cè)圖方法得到了廣泛應(yīng)用，具有高效、靈活的優(yōu)勢(shì)。航空攝影測(cè)量采用在飛行平臺(tái)上搭載航攝儀器對(duì)地面連續(xù)攝取相片，結(jié)合地面控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角測(cè)量，通過內(nèi)業(yè)立體測(cè)繪、外業(yè)調(diào)繪等步驟，繪制生產(chǎn)地形圖。航空攝影立體測(cè)圖具有模型精度高、影像紋理清晰等優(yōu)點(diǎn)，不易存在拉花變形等問題，基于航空攝影測(cè)量工作站，可在立體像對(duì)上同時(shí)測(cè)量地物和地形要素，可連續(xù)、快速地進(jìn)行大范圍地形圖測(cè)繪作業(yè)。其缺點(diǎn)一方面是作業(yè)人員一般需經(jīng)過長期訓(xùn)練，方能高效地進(jìn)行立體測(cè)圖作業(yè)，對(duì)人員技能要求較高；另一方面，是垂直航空攝影在植被、建筑物遮擋區(qū)域容易造成信息缺失，外業(yè)調(diào)繪工作量較大。

1.2 傾斜實(shí)景三維模型測(cè)圖技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集高分辨率影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成可量測(cè)的實(shí)景三維模型。與常規(guī)的航空攝影測(cè)量或相比，采用傾斜實(shí)景三維模型進(jìn)行大比例尺測(cè)圖方式的主要優(yōu)勢(shì)，一是基于傾斜實(shí)景三維模型測(cè)圖是采用裸眼三維測(cè)圖方式，降低了技術(shù)人員準(zhǔn)入門檻；二是采集建筑物時(shí)可以直接采集墻面，且可以內(nèi)業(yè)判別房屋結(jié)構(gòu)及樓層，減少外業(yè)調(diào)繪工作量；三是傾斜攝影重疊度較高且采用多角度攝影，比常規(guī)的航空攝影測(cè)量減少了視角遮擋的區(qū)域。其主要劣勢(shì)，一是等高線采集不太便捷；二是植被容易拉花變形，植被類型辨別不準(zhǔn)，且在貴州等植被高覆蓋地區(qū)，如路堤、路塹、坎等地物邊緣有植被覆蓋時(shí)，難以準(zhǔn)確采集其邊線；三是立柱式獨(dú)立設(shè)施及地物（如路燈、路牌、信號(hào)燈柱、里程樁等）在傾斜三維模型上大多是懸空的，立柱部分缺失，不便于判別采集。

1.3 LiDAR激光測(cè)圖技術(shù)

機(jī)載 LiDAR 測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)是以飛機(jī)作為激光測(cè)量平臺(tái)，采用激光掃測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，直接向地面、地表發(fā)射激光進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)獲取地表地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而獲得地表三維空間信息。LiDAR激光測(cè)圖技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，一是利用激光束的反射原理，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表地貌的高精度測(cè)量，無論是平坦地面還是復(fù)雜地貌，都可以被快速、精確的呈現(xiàn)；二是通過激光雷達(dá)高速掃描，可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成大范圍地面數(shù)據(jù)采集；三是LiDAR不僅可以獲取地表高程信息，還可以獲取地上的植被、建筑物等其他特征，可為綜合分析和決策提供更多的數(shù)據(jù)支持。其主要劣勢(shì)，一是獲取數(shù)據(jù)為離散點(diǎn)云，如不結(jié)合影像等其他數(shù)據(jù)，對(duì)技術(shù)人員來說，其數(shù)據(jù)可判讀性不強(qiáng)；二是因激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為具有一定密度的規(guī)則點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，不能按地表物體形狀較好地反映其邊緣細(xì)節(jié)，在大比例尺地形圖測(cè)量中，不能較好的進(jìn)行地物量測(cè)。

2 研究思路

2.1 研究概況

文章基于貴州省境內(nèi)既有鐵路地形測(cè)繪及定線工作項(xiàng)目開展，項(xiàng)目主要生產(chǎn)內(nèi)容為開展全省約2 000 km既有普速鐵路的航空攝影，獲取優(yōu)于0.05 m傾斜航空影像及分別滿足1∶500和1∶2 000測(cè)量的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，以及鐵路周邊帶狀地形圖測(cè)繪、平面圖編制及安保線定位放線工作。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

（1）長距離帶狀航空攝影。項(xiàng)目航空攝影范圍為全省范圍內(nèi)既有普速鐵路沿線，線路長達(dá)2 000 km，除貴州山區(qū)氣候復(fù)雜外，作業(yè)區(qū)域還具有距離長、范圍窄、彎曲多、地形復(fù)雜、安全隱患大的特點(diǎn)，而開展優(yōu)于0.05 m分辨率傾斜航空攝影，通常采用無人機(jī)進(jìn)行航飛，但無人機(jī)飛行高度較低，兩邊多為高山陡崖，且在鐵路上方開展無人機(jī)作業(yè)容易造成安全事故，作業(yè)難度大。

（2）山區(qū)帶狀復(fù)雜地形及鐵路要素測(cè)繪。項(xiàng)目需對(duì)既有普速鐵路沿線左右50 m范圍開展帶狀地形圖測(cè)繪，鐵路所經(jīng)區(qū)域多為山區(qū)及無人區(qū)，地形起伏大，外業(yè)工作難度大；車站范圍內(nèi)鐵路專有要素類別多，測(cè)繪人員判別難。

（3）鐵路沿線區(qū)域外業(yè)安全隱患大。如采用常規(guī)航空攝影測(cè)量“內(nèi)-外-內(nèi)”作業(yè)方式開展地形圖測(cè)繪，需進(jìn)行大量外業(yè)調(diào)繪工作；在定線放點(diǎn)階段，按規(guī)定需對(duì)鐵路兩側(cè)安保線每隔200 m距離以及在人員活動(dòng)頻繁的道口、橋隧兩端、交通涵、公鐵立交橋附近等進(jìn)行定線放點(diǎn)，均可能存在鐵路上線、穿線的外業(yè)工作，安全隱患大。

2.3 解決方案

針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)分析，研究綜合采用直升機(jī)航空攝影、機(jī)載激光雷達(dá)及實(shí)景三維等新技術(shù)予以解決，具體解決方案如下。

（1）載人直升機(jī)長距離帶狀傾斜航空攝影+厘米級(jí)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。利用直升機(jī)作為飛行平臺(tái)，具有續(xù)航時(shí)間長、工作效率高、飛行穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性好的優(yōu)勢(shì)，而且航線規(guī)劃高度較高，遠(yuǎn)離鐵路，切實(shí)保障作業(yè)安全和鐵路運(yùn)行安全；結(jié)合已有DEM數(shù)據(jù)及多鏡頭框幅式數(shù)碼航攝儀的設(shè)備性能參數(shù)，按照鐵路走向，科學(xué)設(shè)計(jì)航攝分區(qū)，保障鐵路左右兩側(cè)各100 m范圍優(yōu)于0.05 m分辨率傾斜影像、厘米級(jí)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋，并探索開展長距離帶狀點(diǎn)云融合及復(fù)雜地形帶狀實(shí)景三維融合處理。

（2）綜合利用多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，有效提高作業(yè)效率。針對(duì)貴州氣候環(huán)境特殊，作業(yè)區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜等因素，綜合利用航空攝影影像清晰度高、傾斜三維模型采集效率高、地物可判別性強(qiáng)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)地形精度高等優(yōu)勢(shì)相結(jié)合開展作業(yè)，提高地形圖測(cè)繪的工作效率。

（3）優(yōu)化技術(shù)方法，減少外業(yè)工作。利用實(shí)景三維模型良好的可視化效果，在地形圖測(cè)繪階段，有效提高內(nèi)業(yè)判讀能力，采集建筑物時(shí)可以直接進(jìn)行房檐改正，且可以內(nèi)業(yè)判別房屋結(jié)構(gòu)及樓層；對(duì)于鐵路專有要素，利用高清影像制作鐵路要素樣本庫，極大減少外業(yè)調(diào)繪工作量；在定線放點(diǎn)階段，基于傾斜實(shí)景三維模型判斷選定安保線定樁點(diǎn)位，進(jìn)行外業(yè)路線設(shè)計(jì)，避免鐵路上線作業(yè)，有效保障外業(yè)安全。

3 技術(shù)方法

3.1 技術(shù)路線

針對(duì)貴州地形山高、谷深、懸崖、陡峭等地貌的特點(diǎn)，采用直升機(jī)搭載傾斜攝影和激光雷達(dá)設(shè)備，對(duì)鐵路線路車站、區(qū)間線路兩側(cè)各100 m帶寬傾斜航空攝影和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，并生成傾斜實(shí)景三維模型成果，綜合采用航空立體像對(duì)、三維模型、正射影像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分別按照1∶500、1∶2000圖式要求測(cè)繪地物、地形要素，初步形成鐵路車站和鐵路區(qū)間線路地形圖底圖，開展外業(yè)補(bǔ)測(cè)地形地物和鐵路設(shè)施要素，內(nèi)業(yè)編輯、圖面整理，形成地形圖。按照鐵路安全保護(hù)區(qū)劃定要求，在地形圖上劃定安全保護(hù)區(qū)范圍，編制安全保護(hù)區(qū)平面圖，并在鐵路兩側(cè)選擇相應(yīng)位置進(jìn)行安保線定位放點(diǎn)。技術(shù)流程如下圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 復(fù)雜地形帶狀實(shí)景三維融合技術(shù)

項(xiàng)目屬于帶狀工程，測(cè)區(qū)地形起伏較大，為達(dá)到較好的復(fù)雜地形帶狀實(shí)景三維融合效果，采用高精度的激光點(diǎn)云作為Mesh模型構(gòu)造的數(shù)據(jù)源，基于多源數(shù)據(jù)融合自動(dòng)生產(chǎn)三維模型，保證了建模精度和效率。一是結(jié)合已有DEM數(shù)據(jù)及多鏡頭框幅式數(shù)碼航攝儀的設(shè)備性能參數(shù)，按照鐵路走向，科學(xué)設(shè)計(jì)航攝分區(qū)，保障鐵路左右兩側(cè)各100 m范圍傾斜影像、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋；二是基于激光雷達(dá)航攝儀的激光點(diǎn)云生產(chǎn)高精度DSM，采集三維要素體框模型；三是通過輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取地物三維幾何信息，同時(shí)對(duì)傾斜多視影像進(jìn)行影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取地物全方位紋理信息，實(shí)現(xiàn)三維模型的快速制作。

3.2.2 喀斯特山區(qū)多數(shù)據(jù)源結(jié)合采集技術(shù)

根據(jù)項(xiàng)目需求，充分發(fā)揮各數(shù)據(jù)源優(yōu)勢(shì)，采用多種數(shù)據(jù)源相結(jié)合開展地形圖采集，極大程度提高了作業(yè)效率，避免了在鐵路線路上開展外業(yè)測(cè)繪，切實(shí)保障鐵路運(yùn)行安全。主要基于以下方式開展綜合法測(cè)圖作業(yè)：

（1）基于航空立體像對(duì)+傾斜實(shí)景三維模型開展1∶500地形圖地物要素采集。在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍內(nèi)的鐵路沿線需采集1∶500地形圖，大部分是火車站、貨場(chǎng)等區(qū)域，需表達(dá)的地物要素及細(xì)節(jié)較多，以航空影像立體模型采集方式為主，傾斜實(shí)景三維模型輔助房檐改正及地物判別，在滿足精細(xì)化測(cè)圖的同時(shí)，減少外業(yè)調(diào)繪工作量。

（2）基于傾斜實(shí)景三維模型+正射影像開展1∶2 000地形圖地物要素采集。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界以外1∶2 000地形圖測(cè)繪以傾斜三維模型采集方式為主，正射影像輔助地物判別，以達(dá)到較高的生產(chǎn)效率。

（3）基于機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)開展山區(qū)帶狀地形要素測(cè)繪。針對(duì)喀斯特山區(qū)帶狀區(qū)域高差大、地形破碎、作業(yè)區(qū)域狹長等因素導(dǎo)致地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)困難問題，采用對(duì)Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、分類、濾波等操作，生成數(shù)字高程模型，并轉(zhuǎn)化、內(nèi)插生產(chǎn)等高線和高程點(diǎn)等地形要素，相較于傳統(tǒng)立體航測(cè)采集的方式，簡化了生產(chǎn)流程，提高了地形精度。

3.2.3 傾斜實(shí)景三維模型高效應(yīng)用

（1）三維模型助力安保區(qū)基準(zhǔn)線快速判別。按《鐵路安全管理?xiàng)l例》相關(guān)規(guī)定，安保區(qū)的劃定基準(zhǔn)線為鐵路線路路堤坡腳填筑最低點(diǎn)、路塹坡頂開挖最高點(diǎn)、鐵路設(shè)備邊界最外側(cè)或者鐵路橋梁及其附屬設(shè)備最外側(cè)投影等，基于傾斜實(shí)景三維模型的三維立體可視化效果能夠清晰、準(zhǔn)確、快速的判別此類地形地物特征，提高基準(zhǔn)線劃定的準(zhǔn)確性和作業(yè)效率。

（2）極大減少外業(yè)工作量，有效保障作業(yè)安全。在地形圖測(cè)繪階段，基于傾斜實(shí)景三維模型高清晰度、多視角的特點(diǎn)，有效提高內(nèi)業(yè)判讀能力，采集建筑物時(shí)可以直接進(jìn)行房檐改正，且可以內(nèi)業(yè)判別房屋結(jié)構(gòu)及樓層，極大減少外業(yè)調(diào)繪工作量；在定線放點(diǎn)階段，基于傾斜實(shí)景三維模型判斷安保線定樁點(diǎn)位，進(jìn)行外業(yè)路線設(shè)計(jì)，避免鐵路上線作業(yè)，有效保障外業(yè)作業(yè)安全及鐵路運(yùn)行安全。

3.3 成果質(zhì)量驗(yàn)證

經(jīng)具有測(cè)繪質(zhì)量檢驗(yàn)資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢查驗(yàn)收，項(xiàng)目成果數(shù)字正射影像、安全保護(hù)區(qū)平面圖、安全保護(hù)區(qū)地形圖、安全保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)庫、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜三維模型、放樣點(diǎn)交樁記錄冊(cè)等成果詳查、概查均無不合格品。其中安全保護(hù)區(qū)平面圖成果質(zhì)量等級(jí)為良，地形圖成果質(zhì)量等級(jí)為良，傾斜模型成果質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)，放樣點(diǎn)交樁記錄冊(cè)成果質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)，質(zhì)量符合項(xiàng)目要求。

4 結(jié)論

文章采用多源數(shù)據(jù)綜合利用法，充分發(fā)揮了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量影像清晰真實(shí)優(yōu)勢(shì)、傾斜實(shí)景三維模型裸眼多視角采集優(yōu)勢(shì)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度快速生產(chǎn)地形數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了作業(yè)流程，切實(shí)提高作業(yè)效率、保障生產(chǎn)安全，成果順利通過驗(yàn)收，并因提供的類型豐富的數(shù)據(jù)成果得到業(yè)主方好評(píng)，可為山區(qū)復(fù)雜地形測(cè)繪提供參考借鑒。