低空數碼航測技術在山地區域制作1∶2 000數字線劃圖的試驗研究——以貴陽高新區核心扎佐片區為例

王志豪

(深圳市勘察測繪院有限公司,廣東深圳 518028)

低空數碼航測技術在山地區域制作1∶2 000數字線劃圖的試驗研究——以貴陽高新區核心扎佐片區為例

王志豪?

(深圳市勘察測繪院有限公司,廣東深圳 518028)

低空航測技術以其靈活、高效、精準和成本低的特點,能夠快速獲取影像并完成地形圖的測繪,目前已成為國內空間數據獲取的重要手段。基于低空航測技術的特點,以貴陽高新區核心區的扎佐片區為試驗點進行測繪,通過利用GNSS測量方法實施基礎控制點平面測量和高程擬合;采用光電測距三角高程測量;采用GNSS RTK作業測量控制點的高程;采用低空數碼航測結合數字攝影測量網格系統(DPGrid)等全數字化航測生產技術平臺完成了地形測量作業。結果表明,對以山地與高低為主的地區進行航測,完成1∶2 000地形圖的測繪任務中可以凸顯低空航測技術優勢。

低空數碼航測;1∶2 000地形圖;測繪;扎佐片區

1　引 言

我國經濟的繁榮帶動區域高新產業的發展,近年來,許多高新產業園也在大興土木。中部城市建設高新產業園,受到土地資源條件的限制,選址在地形較為復雜的山地區域進行建設。開展地形圖測繪工作成為建設高新產業園的必然選擇。由高分率的數碼相機、動力三角翼、姿態感應控制云臺等組成的低空數字航空攝影系統,較傳統的航空攝影測量方法更能克服天氣、地形等客觀因素的限制,可便捷地獲取高分辨率數字影像,繪圖更為高效、便捷、節約成本,適合山地復雜地形的小范圍大比例尺地圖的快速測繪和更新。依托貴陽高新區規劃局委托的高新區核心區扎佐片區1∶2000地形圖測繪,開展對山地區域低空數碼航測的應用研究。

2　低空數碼航測的內容及技術路線

2．1試驗研究的內容

(1)低空數碼航測攝影系統在山地區域的航空攝影;

(2)基于小像幅高分辨率數碼影像控制點的測量、空中三角測量、例題數字測圖、外業調繪與補測、地形圖繪編;

(3)GNSS測量方法、GNSS RTK技術在1∶2 000航測成圖中的應用;

(4)航測技術的路線和技術方法總結;

(5)低空數碼攝影系統在山地區域制作1∶2 000地形圖航測成像及成果分析。

2．2試驗研究的技術路線

航測試驗項目利用GNSS測量方法進行基礎控制點平面測量及高程擬合,采用光電測距三角高程測量及GNSS RTK作業測量控制點的高程;地形測量采用低空數碼航測結合數字攝影測量網格系統(DPGrid)全數字化航測生產平臺進行作業。此次測繪的基礎控制網測量包含了13個一級平面控制點和光電測距三角高程測量30．2 km。測繪范圍50 km2,繪制1∶2 000地形圖約54幅。低空數碼航測流程如圖1所示。

圖1　貴陽高新區扎佐片區低空航測流程

(1)基于DPGrid的像片控制點初選,制作數字刺點片。

(2)像控測量。

(3)基于DPGrid的空中三角測量。

(4)內業數字化測圖(采用立體模型進行數據采集,生成圖形文件。輔助軟件:蘇武現代數字攝影測量軟件)。

(5)外業測量無法利用航攝影像圖成果的地區采用野外實測。

(6)形成1∶2 000數字化地形圖(輔助軟件:南方CASS7．1深勘版軟件進行)。

3　作業依據和各工序技術要求

此次試驗的低空數碼航測依據《城市測量規范》、《衛星定位城市測量技術規范》、《國家三、四等測量規范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內業規范》、《低空數字航空攝影測量內業規范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》、《測繪成果質量檢查與驗收》(GB/T 24356-2009)等技術標準執行。

試驗區按山地、高地1∶2 000地形圖精度要求執行。各像控點通過無人機在實地拍攝遠景及近景照片;內外業數字化測圖采用蘇武現代數字攝影測量軟件按像對進行地物、地貌測繪,按照測區數據標準要求制定測圖過程數據標準,以方便數據轉換與編輯。采取先進行立體模型的判讀測圖,然后外業調繪再回內業補測、編輯,即先內后外的方法。采集的數據第一時間傳輸到計算機中,所有像控點數據均利用Excel軟件編輯整理,經質檢人員檢查無誤后才能編入成像控點成果表。根據外業記錄的相片編號,在數字刺點片上插入相應的點位照片進行編輯,并對點位情況進行描述。

4　航空攝影及成果分析

4．1試驗區概況

貴州省修文縣扎佐鎮,項目規模50 km2,位于貴陽市區北郊,距離市中心40多千米。測區位于北緯26°46′～26°55′,東經106°40′～106°45′之間。測區呈長方形,南北長東西短。測區內的居民地比較分散,主要位于扎佐鎮老街大堡村,總人口約4萬;地形以山地和高山地為主,地勢南北高中間低;水系不發達,僅有3個小型水庫分布在測區北、南及東部,無大型河流。耕地較少,90%以上為旱地,少量水田;農作物以玉米、土豆為主,有少量經濟作物。該區域工業不發達,少量工廠分布在南部,主要是制藥行業。交通以南北走向的渝黔鐵路、210國道、G75高速公路為主,連接各居民點的道路基本為簡易公路,地形較為復雜。采用無人機低空數碼航測技術,可以從分發揮其優勢,能夠快速獲取影像并完成所需比例尺的地形圖測繪。

4．2航空攝影及成果

試驗項目選用小型無人機,續航能力大于3 h,具備4級風力條件下安全飛行能力,并帶有衛星導航定位儀,所有飛行數據實時傳輸到地面控制站。采用佳能5D MarkⅡ數碼相機,校檢精度滿足:主點坐標中誤差小于10 μm,主距中誤差小于5 μm,畸變差方程系數擬合后,殘余畸變差不大于0．3像素。飛行路線根據測區范圍線適當外擴,預設航帶20個并傳輸到導航軟件中,實時控制飛行路線。航內方向在范圍線處外擴4條基線,航間方向在范圍線處外擴0．5條航線,起降場地位于貴鋼異地搬遷項目施工區內,該區域剛完成場地平整,無干擾及安全隱患。扎佐片區航測全景如圖2所示:

圖2　貴陽扎左片區航測全景圖

飛行影像質量層次分明,反差適中,色調柔和,光線良好,無云、煙、反光和污點等,航片影像無普遍模糊、重影等現象;航向重疊度為85%,旁向重疊度為35%,滿足內業要求。

5　像控測量

5．1像控點布設與選剌

試驗項目在航測影像初步處理的基礎上進行像片控制選點,選出348個像控點,均為平高點。且滿足以下條件:

(1)像控點的判點精度為圖上0．1 mm,點位目標選在影像清晰的明顯地物上,有利于判刺和立體測量。一般選在交角良好(30°～150°)且高程起伏較小的細小線狀地物交點、原始影像中小于0．2 mm的點狀地物中心等;

(2)以線狀地物的交點為主,點位目標選在高程起伏較小且面積大的地方;

(3)選刺的點位目標均能轉刺到像片上;

(4)充分考慮滿足GNSS觀測方法聯測像片控制點的點位觀測條件;

(5)像片控制點布設在在航向及旁向6片或5片重疊范圍內,布設的像片控制點能盡量公用,控制點距像片邊緣大于150像素(即大于像片寬度的4%)。航線按中心線布設且旁向重疊過大時,在距方位線1．5 cm以上處選出公用點時,不分別布點,否則分別布點;

(6)平地上的像片控制點按區域網布點,每個區域網中布設不少于20個檢查點。根據成圖比例尺、地面分辨率、測區地形、攝區劃分、圖幅分布等情況,采取區域網布設方案。區域網的大小和像片控制點之間的跨度以能夠滿足空中三角測量精度要求為原則,主要依據成圖精度、航攝資料的有關參數及對系統誤差的處理等多因素確定,本測區布設為一個區域網。

(7)受地形等條件限制時,采用不規則區域網布點:凸出處和凹進處均布設平高點,區域網內無像片重疊不合要求的航線和像對,無大片云影、陰影等影響內業加密工作的像對。

選擇348個像控點(其中20個為檢查點)進行數字刺點片制作,每點均按照技術設計書要求制作成Word格式的數字刺點片,含像控點編號(P+像片號+流水號,檢查點為J+流水號),遠景及近景圖像,同時對影像進行初步處理后,提取像控點的概略坐標供野外實測參考。

5．2空中三角加密測量

空三加密前,對數字影像的格式轉換、圖像增強和旋轉,對航帶進行了整理,剔除掉部分大面積植被航片進行預處理,余下1 488張航片作為測區加密使用。采用數字攝影測量網格系統(DPGrid)的自動空三模塊DPGrid．AT進行相對定向,航片上加密點在50個以上并盡可能均勻分布,對不穩定的加密點進行刪除,對困難區域進行新增加密點。通過大量高精度、高強度的加密點進行模型連接,增加了模型連接強度,以減小控制點數較少帶來的負面影響。

對整個加密區1 468個航片模型進行統計,殘余上下視差按區間統計如表1所示。

航片模型限差區間統計　表1

模型連接較差限值按式(1)和式(2)計算:

平面位置較差:

式中:m為航攝比例尺分母;f為航攝儀焦距;b為像片基線長度,式中△S,△Z以m為單位。

本測區解算的平均地面分辨率約為0．146 m,對應的航攝比例尺分母約為22 839,航向重疊度為85%,航間重疊度為35%。經計算,模型連接的平面位置較差限差△S約為0．685 m,模型連接的高程較差限差△Z約為2．708 m。

采用DPGrid．BA平差模塊直接計算所得為模型連接空間較差,即經平差計算,模

高程較差:型連接空間較差中誤差為0．299 m,模型連接空間較差最大為0．677 m(小于限差的空間距離2．793 m,符合規范規定要求)。

6　內業數字化測圖

數字化測圖采用“先內后外”的方法,先進行立體模型的判讀測圖,然后外業調繪再回內業補測、編輯,并輔以蘇武現代數字攝影測量軟件按像對進行地物、地貌測繪,按照測區數據標準要求制定測圖過程數據標準,以方便數據轉換與編輯。

數據的采集按內業立體模型定位、外業定性的原則進行采集。每個像對均經定向和測圖檢查后交編輯工序作業。每個像對測圖完成后與相鄰像對接邊。接邊差在限差以內的各改1/2,超限的應查明原因后再作處理。采集精度:地物平面采集誤差小于0．2 m。高程注記點切讀兩次,讀數較差不大于0．3 m時,取中數注記至0．1 m。

7　外業調繪與補測

外業實地調繪在原圖上的地形地物的基礎上,檢查糾正內業錯繪的地物、地貌。調繪航測區域內樓層、電線桿性質、植被、各種地理名稱(包括地名、單位、街道、居民地、河流等)等所有地物的性質。在外業調繪的過程中適當改正屋檐、量測田坎高度,調查河流水渠的流向,逐一實地核實農用地、小蓄水池等,并現場記錄所有調繪成果。采用GNSS RTK測量方法對新增的地物及影像有陰影或遮擋內業測不到的地物,進行外業補測。

8　地形圖編繪與成圖

運用南方測繪公司CASS7．1深堪版軟件進行地形圖的編繪和成像工作。通過調繪與補測,記錄對應編號;外業測量在現場對像控點進行詳細記錄,對拍攝到的建筑物特征點都量測建筑物高度,而陡坎和圍墻特征均量測其比高。在數據采集過程中若有未滿足的部分,在航測成像的編輯中應予以補充修改或補測。立體影像清楚的地物地貌元素測繪做到無錯漏、不變形、不移位采集,對立體影像不夠清晰的地物地貌元素也盡可能的采集,并做出標記,由外業人員實地進行核實、定位及補測工作。對于有植被覆蓋的地表,當只能沿植被表面描繪時,加植被高度改正;在樹林密集隱蔽地區,依據野外高程點和立體模型進行測繪。

在地形圖繪編過程中嚴格遵循1∶2 000地形圖圖式符號按照GB/T 20257．1-2007《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》要求。測圖接東、南圖邊,地形圖圖幅接邊的接合差不大于平面、高程中誤差的2 2倍。小于該限差時平均配賦,保持地物、地貌相互位置和走向的正確性。等高線接邊差不大于1個基本等高距。被覆蓋的隱蔽地區等高線的接邊誤差按上述限差規定放寬0．5倍。測區按照50 cm×50 cm標準分幅,共計1∶2 000地形圖54幅;圖號按照圖框左下角千米數編號,X坐標在前以短線連接Y坐標,如“2 969．0 -373．0”,圖名以圖幅內主要單位或地名命名,如“扎佐老街”、“高潮水庫”等。

高新區核心區扎佐片區測區按照50 cm×50 cm標準分幅,共計1∶2 000地形圖54幅,測繪圖幅結合表如圖3所示:

圖3　高新區核心區扎佐片區1∶2 000地形圖測繪圖幅結合表

9　分析總結

9．1存在的問題和分析

(1)因為部分影像有陰影或遮擋,從而導致內業測不到這部分地物。對這部分地物,我們外業進行了補測,地物補測采用GNSS RTK測量方法。

(2)非量測型相機的局限

本次航攝采用的是非量測型相機,非量測型相機在高程精度方面存在一定的局限性,因此在以后的無人機航測工作中如果能夠采用量測型相機,將能極大地提高地物高程精度,減少部分工作,提高工作效率。

(3)無人機飛行平臺穩定性問題

無人機飛行平臺在工作中容易收到風或者機身抖動的影響,造成部分姿態角超限,因此在以后的工作中,將采用增加云臺的方法,來提高無人機飛行平臺的穩定性。

9．2總結

貴陽高新區核心區扎佐片區單位面積內模型數較多,采用了多機、復核的方式快速高效生成了大量高精度和高強度的模型連接點。雖存在無人機航片有畸變較大的情況,但通過空三加密可以矯正或提高成果的精度。而外業補測則彌補了局部地區控制點不足的缺陷。試驗對貴陽高新區核心區扎佐片區地形圖測繪成果資料的內業檢查和外業抽查,在平面坐標選取190個點進行比較,較差最大值為1．0 m(限差±3．0 m),地形圖平面位置中誤差為0．52 m(限差±1．5 m);高程選取164個點進行比較,較差最大值為1．0 m(限差2．66 m),高程中誤差為0．5 m(限差±1．33 m)。工程1∶2 000地形圖圖面表示及數學精度、基礎控制網及像控點測量精度、空三加密成果,均滿足設計書和規范的要求。

實踐證明,對以山地與高低為主的地區采用全數碼攝影測量技術測繪地形圖完成1∶2 000地形圖的測繪任務,能夠有效地提高工作效率,減少外業的工作的強度和壓力,與傳統的作業模式相比,成果質量提升明顯,且具跨越范圍較大,這為地形圖測繪工作提供了更加有效和快捷的測繪方法,可以凸顯低空航測技術優勢。

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Low-altitude Aerial Digital Technology to Produce 1∶2 000 Experimental Study of DLG in Mountainous Area——With the High-tech Zone Core Zazo Area Case

Wang Zhihao

(Shenzhen Geotechnical Investigation&Surveying Institute Co．,Ltd．Shenzhen 518028,China)

With flexible,efficient,accurate and low cost,low altitude aerial technology to quickly acquire images and complete topographic map of the mapping,now it has become an important means of national spatial data acquisition．Based on these characteristics at low altitude aerial survey techniques to Zazo mapping the area which is the core of Guiyang High-tech Zone for the test points．The test measured by using the method of GNSS-based measurement and control point elevation plane fitting;opto-range measurement for triangulation;job using GNSS RTK survey control point elevation;the use of low-altitude digital aerial photography combined with digital measuring grid system(DPGrid)and other all-digital production technology platform aerial topographic survey work completed．The results show that for high and low mountainous areas based aerial survey,which finished 1∶Topographic mapping mission in 2000 to highlight the advantages of low-altitude aerial survey techniques．

low-altitude aerial digital;1∶2000 topographic map;mapping;zazo area

1672-8262(2016)01-48-05

P231

B

?2015—09—01

王志豪(1978—),男,高級工程師,主要從事工程測量、3S應用等技術工作。