基于數字航測的3D基礎地理信息數據生產技術研究

李蘇東

(山東正元地理信息工程有限責任公司，山東濟南 250101)

以“周期短、成本低、效率高、精度勻、技術尖”為特點的航空攝影測量技術在經歷了模擬攝影測量和解析攝影測量階段后，已經發展到今天的全數字攝影測量時代，實現了攝影測量處理流程的全數字化。正在進行“數字城市”地理空間框架建設的主要內容有三項，即:數據庫(基礎地理信息數據庫和各種專題數據庫)、地理空間信息公共平臺及若干應用系統。可見，數字3D產品是“數字城市”建設中的基礎地理信息數據庫重要內容。在統一的標準與規范基礎上，采用數字航空攝影實現基礎地理數據采集，可快速形成3D數字產品。經已經完成的“數字城市”地理空間框架建設事實表明，數字航測具有強大的生命力，是攝影測量的發展方向。數字攝影測量也成為攝影測量界研究和應用的熱點，已經成為快速獲取3D數字產品的主要技術手段。

根據航測項目生產作業經驗，3D基礎地理信息數據采集成本大、周期長，在保證質量的前提下進行探索采用新方法或新工藝進行基礎地理數據采集，進行技術研究，通過數據驗證該方法或工藝成產數據的正確性，進而在其他項目中推廣應用，從而推動技術進步。

1 問題的提出

目前，通過數碼航攝技術的引進消化、自主研發及推廣應用，大大提高了航攝影像的高分辨率和高精度。數碼航攝技術與GPS全球定位系統、IMU慣性導航測量系統以及激光雷達測量系統集成進行航空攝影，其獲得的影像數據在中小比例尺(1∶2000～1∶10000及以上)DLG、DEM、DOM和真三維建模中的應用更加廣泛。而航測法用于平坦地區的大比例尺3D產品的生產則存在較大的局限性，其主要原因為:

(1)采用航測方法進行1∶500地形圖測繪時，即使采用航攝效果較好的地面分辨率達2.52 cm的航片，也需要按全野外布點方法進行像控測量，現有技術規范和標準不容許采用區域網布點方案，造成外業像控測量工作量較大，體現不出航測作業方法的優越性。

(2)對航測內業高程精度沒有把握，尤其對平坦地區的航內高程精度能否達到規范要求，制約了航測技術在大比例尺數字產品生產中的應用。

2 關鍵技術研究的目標和內容

航測遙感項目施工過程可分為7道工序，在滿足現有規程規范對精度要求的基礎上，探索提高效率，降低勞動強度，節約成本的作業方法，對航測作業流程的有關工序或步驟進行改進優化，達到快速高效且降低成本完成航測工程項目的目的。

2.1 可進行改進的工序分析

第1道工序原始圖像采集依賴于采集平臺的改進和影像采集設備的發展，實際上就是整體科技進步，采用和購買好的飛行載臺和高分辨率的影像拍攝儀器能達到效果，但留給作業單位進行改進的空間很小，主要依賴于外部條件。

第2道工序基礎控制測量的技術和方法都比較成熟和先進，現在主要采用GPS測量方法進行分級布網進行，改進的余地也很小。

第3道工序像片控制測量，可以一條航線段為單位布設像片控制點的航線網布點，也可以幾條航線段或幾幅圖為一個區域布設像片控制點的區域網布點，還可以一張像片或一個立體像對為單位布設像片控制點的全野外布點等，但規范要求大比例尺圖按全野外布點，可探索像片控制測量在平坦地區采用區域網布點代替全野外布點。本項試驗的成功可減少像片控制測量50%左右的工作量，另外在配合單基站CORS可較大地提高效率，減少作業周期。

第4道工序3D航測數字產品制作、第6道工序內業數據處理和圖形編輯及第7道工序3D數字產品數據庫建設主要依賴于軟件的自動化程度和作業員的熟練程度，只能通過軟件開發努力、計算機硬件技術的進步和培訓作業員上下工夫，進行作業效率的提高，但作業方法及作業流程基本一致，進行創新的可能性較小。

第5道工序外業調繪與高程測量，無能是在人員投入還是在成本花銷上，本工序在整個航測作業過程中都占較大比重。外業調繪方法經過這幾十年的發展已相對成熟。在高程測量方面，隨著數碼航攝儀及數字攝影測量技術的發展，像片的分辨率已經很高，立體模型越來越精細，可探索采用以經檢測的航測內業高程代替全野外高程測量方法，從而降低勞動強度，減少外業作業人員的數量，節約成本。

2.2 確定關鍵技術研究內容

通過以上分析，確定本次技術研究的內容為以下兩點:

①研究在平坦區域，像片控制測量采用區域網布點代替全野外布點，通過大量數據精細驗證精度，看是否達到現有規程規范要求，完善采用區域網布點進行像片控制測量的方法、流程及作業具體技術細節。

②研究在航測成圖高程測量時，以經檢測的航測內業代替全野外高程測量，通過外業高程檢測來驗證航測內業采集高程點的精度，是否滿足現行規范對大比例尺地形圖DLG的高程精度要求。

高程精度要求為:基本等高距為0.5 m的平坦地區，其高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不大于±0.15 m。其他地區地形圖高程精度按《城市測量規范》要求執行。

3 關鍵技術研究的實施

3.1 選擇項目

在青島城陽區1∶500航測項目、福建石獅 1∶500航測項目、青島膠南 1∶500航測項目、青島平度市1∶500航測項目等4個項目進行了實際應用和成果檢驗，4個航測項目位置如圖1所示。

圖1 實際應用項目位置圖

采用航測方法進行3D(DLG、DOM及DEM)數據采集的4個項目等高距均為0.5 m;在實際生產中共布設了438個區域網，采用全站儀或GPS－RTK對所有圖幅隨機抽取50個～60個高程點進行外業測量高程，與航測內業高程進行精度統計，分析航測內業高程的正確性，外業共測量了181440個高程點來對比統計航測內業高程的精度，參與試驗的各個項目的基本情況如表1所示。

試驗項目基本情況表 表1

3.2 研究方法

(1)外業像控測量采用區域網布點代替全野外布點方法

將測區劃分為若干個區域，對較平坦地區布設區域網，區域單元大小不大于5條航線，每條航線的基線數不超過12條，同時為了提高像控點的精度，對每個像控點均采用GPS－RTK測量方法在不同時段兩次獨立觀測其三維坐標;為了驗證空三加密網的精度，從而保證內業測圖精度，在每個區域網布設2～3個空三加密檢查點，航測內業空三加密時將布設的2～3個檢查點作為空三測量加密點，進行空三加密平差計算獲得其坐標和高程并進行精度統計，同時為檢測航測內業測圖精度，在每個區域網內均勻施測了8～10個質量監控點，對航測內業測圖進行精度統計。區域網布點方法如下:

①布設平面網或平高網，其航線跨度、控制點間基線數不超過表2規定。

區域網布設要求 表2

圖2 區域網布設方式

②平高區域網一般沿周邊布設6～8個平高點，區域網中間布設一個平高點，如圖2(a)所示。

③當區域網的基線數大于10條而小于12條時，可采用如圖2(b)的區域網布點方式。

④不規則區域網，應在凸角處增補平高點，凹角處增補高程點。但當凹凸角之間距離超過2條基線時，凹角處亦應布平高點，如圖2(c)所示。

(2)高程測量以經外業檢測的航測內業高程代替全野外測量高程

為了驗證航內高程能否滿足1∶500 DLG成圖精度要求，因試驗項目的1∶500 DLG圖的高程，航測外業工序采用全野外高程測量方法測繪DLG高程注記點，后利用經檢查通過后的空三加密測量平差成果，在全數字攝影測量工作站上恢復立體模型并采集外業測繪高程注記點的航測內業高程，進行精度統計并分析航測內業的高程精度。

4 產品精度驗證

4.1 空三加密精度檢查驗證

(1)空三加密檢查點精度統計

4個試驗項目共438個區域網中測量空三加密檢查點1027個，其中高程檢查點1027個，平面檢查點618個參與精度統計，統計結果如表3所示。

空三加密檢查點精度統計 表3

(2)空三加密質量監控點精度統計

4個試驗項目438個區域網，像控點的外業測量質量監控點3843個，以采用GPS－RTK測量方法實測的質量監控點外業觀測值為真值，以航測內業DLG立體測圖坐標作為測量值，按高精度檢查中誤差計算公式進行精度統計，統計結果如表4所示。

空三加密質量監控點精度統計 表4

通過表3及表4可見，空三加密網精度及采用空三加密網成果進行航測內業測圖的測點精度達到現行規程規范要求。

4.2 高程測量

對4個項目近6000余幅圖隨機抽取約60%的圖幅的高程注記點進行航測內業高程采集，共采集航測內業高程點 181440個 (其中鋪裝路面上約 71086點)，后進行航內高程精度統計，以采用全站儀、GPSRTK或水準儀進行測量的外業實測高程為真值按高精度檢查中誤差計算公式進行統計計算，計算得航內高程中誤差為±10.2 cm(允許±17 cm);其中鋪裝路面上的點位高程中誤差為±7.8 cm(允許±15 cm)。其統計結果如表5所示。

航內高程精度統計表 表5

4.3 最終檢查測點精度統計

采用全站儀對地形點、地物點進行解析測量，檢查地物點、高程點的點位中誤差和高程中誤差，采用勘丈法量取地物間的關系距離，檢查其間距中誤差是否滿足規范要求，地物點精度統計表，以福建石獅項目為例，如表6所示。

從表6看出，1∶500 DLG測圖數學精度，包括平面及高程檢測、地物點間距誤差檢查均滿足《規范》中有關精度要求。

1∶500 DLG地物點精度統計表 表6

4.4 4個項目質量檢驗精度統計

山東、福建兩省測繪產品質量檢驗站進行質量檢驗時，測點檢查檢驗結果如表7所示。

質檢站質檢精度統計表 表7

4個航測項目均一次性通過兩省測繪產品質量檢驗站最終驗收，其中青島城陽航測項目和福建石獅航測項目成果被認定為“優”級品，另兩個項目成果為批合格。

5 結論

(1)1∶500比例尺航測項目像控測量采用區域網布點與空三加密代替全野外布點經實際驗證達到規范要求。

平坦地區航測項目布設區域網，將整個測區劃分為若干個小區域，區域單元大小不大于4條航線，每條航線的基線數不超過12條，同時為保證像控點的外業測量精度，對每個像控點均進行不同時段兩次獨立觀測，取平均值作為最終測量成果;同時為驗證空三加密網的精度，保證內業測圖精度，除在每個區域網布設2～3個空三加密檢查點外，特別地在每個區域網內均勻施測了8～10個質量監控點。經過438個區域網的1027個檢查點和3843個質量監控點的驗證，加密點的精度指標均滿足規范要求。與原全野外布點相比較可節約像片控制測量50%的工作量，節約像片控制測量時間1/2以上。

(2)在航片及航測各工序質量嚴格滿足現有規范的前提下，經檢測的航測內業高程精度可達到0.5 m等高距地形圖對高程精度的要求。

采用航測內業測量高程，配合外業檢測，即每幅圖隨機抽取50～60個高程點進行外業實測檢查航內高程的正確性，通過對181440個航測內業高程點精度統計結果顯示:在航片及航測各工序(如:外業像控，空三測量等)質量嚴格滿足現有規范的前提下，航內高程滿足0.5 m等高距地形圖對高程注記點精度的要求。

［1］張劍青，潘勵，王樹根.攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

［2］張祖勛，張劍清.數字攝影測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，1997.

［3］張祖勛，張劍清.數字攝影測量的發展、思考與對策［J］.地理信息世界，1999(02).

［4］王瀟女，王日輝.淺談數字攝影測量的意義及發展［J］.城市建設理論研究，2011(29).

［5］GB/T 18316－2001.數字測繪產品檢查驗收規定和質量評定［S］.

［6］GB/T 7931 －2008.1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量外業規范［S］.

［7］GB/T 7930 －2008.1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量內業規范［S］.