大比例尺地形圖航測高程注記點內(nèi)業(yè)立體采集精度分析

張 磊，劉貴兵

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

航空攝影測量是目前進行地形圖制作的主要技術(shù)，已被廣泛用于1∶500及以下大比例尺地形圖測繪[1]。高程控制一直是制約航空攝影快速高效高精度成圖的難點。傳統(tǒng)高程點作業(yè)采用水準高程測量或三角高程測量在航攝前或航攝后進行，作業(yè)工期長、經(jīng)費和人員投入大，不僅勞動強度比較大，而且效率比較低。隨著GNSS和大地水準面技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用GNSS輔助的航攝測量方法，如差分GPS技術(shù)、RTK技術(shù)、CORS技術(shù)等，進行無控制點或少控制點的航測成圖[2-5]。然而，高程注記點仍需采用全野外的測繪方法，且面臨受地面沉降影響導致不同時間測定高程精度的差異[6]，對成圖的效率有較大影響。

內(nèi)業(yè)采集高程注記點替代全野外測繪方法，是提高航攝成圖效率的重要途徑。目前，常用的內(nèi)業(yè)采集高程注記點的主要方法有：① 激光點云技術(shù)采集高程注記點：使用激光掃描系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，采用數(shù)據(jù)處理軟件對采集數(shù)據(jù)進行解析、篩選、提取，最終獲得高程特征點[7]；② 傾斜三維模型采集高程注記點：采用傾斜攝影的方式來獲取測區(qū)影像，內(nèi)業(yè)利用低空航攝影像數(shù)據(jù)來進行空三加密處理并生產(chǎn)出滿足相應(yīng)精度要求的實景三維模型，再利用該實景三維模型進行高程注記點采集[8-9]；③ 全數(shù)字攝影測量方法采集高程注記點：內(nèi)業(yè)在數(shù)字攝影測量集群處理系統(tǒng)下進行空三加密，然后利用數(shù)據(jù)處理軟件恢復模型，完成相對定向與絕對定向，接著進行立體采集高程點[10]。其中，全數(shù)字攝影測量方法是采集高程注記點高效率、低成本的實用方法，但成果精度難以達到大比例尺地形圖測量規(guī)范的精度要求。

本文結(jié)合鹽城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集項目，考慮對現(xiàn)有資料的最大利用率，減少野外作業(yè)強度，提高作業(yè)效率，按期完成任務(wù)的原則，對作業(yè)流程進行嚴格控制，利用全數(shù)字攝影測量工作站實現(xiàn)了滿足1∶500大比例尺地形圖規(guī)范精度要求的內(nèi)業(yè)立體環(huán)境下高程注記點數(shù)據(jù)采集，并通過試驗驗證了可行性和精度水平。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 采用數(shù)據(jù)

測區(qū)位于鹽城市主城區(qū)及周邊地區(qū)，以道路、河流等為自然界線，南至鹽淮高速、沙港河、G204，北抵鹽靖高速公路，東沿六子河、南港大溝及沈海高速一線，西以朱瀝溝、三中溝、鹽靖高速、串場河等為界，涉及鹽城市中心城區(qū)約597 km2，如圖1所示，其中，紅線范圍內(nèi)為1∶500測區(qū)作業(yè)范圍。

圖1 測區(qū)位置及航空攝影測量作業(yè)范圍

按技術(shù)規(guī)范要求，常規(guī)1：500影像航攝地面分辨率為0.05 m，為了提高作業(yè)精度，采用UltraCam Xp-wa數(shù)字航攝相機，輔以POS AV510系統(tǒng)等進行航空攝影，于2019年9月和10月進行多批次完成。UltraCam Xp-wa相機的焦距標定為70.5 mm，航攝高度約為450 m，航片數(shù)據(jù)地面分辨率為0.039 m，像素尺寸為11 310×17 310，像元大小為6 μm，像幅尺寸為67.860×103.860 mm，航攝軌跡如圖2所示。

圖2 航空攝影測量飛行軌跡示意圖

1.2 試驗方案

在上述航空攝影測量方案基礎(chǔ)上，首先在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)像控點，并選擇試驗區(qū)布設(shè)高程注記點，聯(lián)測獲取高精度像控和注記點高程；然后內(nèi)業(yè)對像控高程點位判讀與立體刺點獲取高程注記點；再進行空中三角測量解算后與像控點高程和野外采集高程注記點進行比對，驗證高程注記點采集的精度。

1.2.1 像控點布設(shè)及聯(lián)測

像片控制點按區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，區(qū)域網(wǎng)的大小根據(jù)航攝飛行情況、地形情況等進行劃分，一般不超過20個基線，30條航線，區(qū)域網(wǎng)形狀盡量為正方形。像控點布設(shè)在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi)。每個區(qū)域網(wǎng)，根據(jù)網(wǎng)形和控制點的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)間最弱位置布設(shè)至少5個檢查點，供后續(xù)空三計算進行高程精度檢核。局部點位分布如圖3所示，其中K1～K31為野外測量控制點，用來進行區(qū)域網(wǎng)平差解算，J1～J6為野外測量檢查點，用來對區(qū)域網(wǎng)的精度進行檢核。

圖3 測區(qū)布設(shè)的部分像控點分布圖

像控點布設(shè)采用航攝后的原始影像進行點位設(shè)計，在布點前將航攝后的原始影像進行數(shù)據(jù)壓縮，保證壓縮后圖像尺寸不變，像素值不變，壓縮格式一般為JPG，并建立金字塔文件，以便平板電腦快速瀏覽。在導入像主點及像片后及時檢查其影像分辨率是否變化、影像是否齊全、影像位置是否準確等。平高點應(yīng)選擇刺于影像清晰，易于判別的明顯目標，如選擇交角良好(30°～150°)的細小線狀地物的交點、明顯地物拐角點等，同時應(yīng)是高程變化較小的地方，易于準確定位和量測，相對固定的目標。高程控制點應(yīng)選在高程變化較小、內(nèi)業(yè)能夠準確判讀的位置。另外，像控點盡量選擇于地面上可以立體判刺的點位，除非不得已布設(shè)到高于地面的地物上時，必須在像控點附近就地測量地面高程點參與空三解算。

像控點聯(lián)測采用基于JSCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方式聯(lián)測，利用區(qū)域似大地水準面成果直接求定像控點的三維坐標。并對像控點聯(lián)測結(jié)束后的坐標展點檢查，防止出現(xiàn)粗差，確保成果準確性，保證100%的內(nèi)業(yè)檢查和不少于總點數(shù)10%的外業(yè)檢測。同時，每天進行控制點檢核，檢核平面位置較差不大于50 mm。

1.2.2 試驗區(qū)域全野外高程點采集

為驗證內(nèi)業(yè)立體采集的高程注記點精度，選定了四個試驗區(qū)域，試驗區(qū)面積占作業(yè)全域5.13%，范圍如圖4所示。對區(qū)域內(nèi)按設(shè)計要求使用GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK雙頻接收機進行508個全野外高程點采集，用于精度評估。

圖4 試驗區(qū)域范圍示意圖

1.2.3 內(nèi)業(yè)高程注記點立體采集

對試點區(qū)域安排長期從事內(nèi)業(yè)立體測圖作業(yè)人員進行采集，分別采用了DPS與Map Matrix等立體測圖軟件對全野外測量高程點進行同點位采集。根據(jù)測區(qū)的地理位置，綜合考慮計算機設(shè)備的處理能力、軟件和網(wǎng)絡(luò)承載能力、磁盤空間等原因，對整個作業(yè)區(qū)域劃分為8個分區(qū)區(qū)域網(wǎng)，如圖5所示。試點區(qū)域位于2019YC1、2019YC2和2019YC3三個加密分區(qū)內(nèi)，安排兩位長期從事內(nèi)業(yè)空三加密人員同時對所有像控點進行點位判讀與立體刺點，大大減少不同人員刺點產(chǎn)生視差的情況。采集點位盡量選擇在影像清晰，易于判別的明顯目標點位，便于外業(yè)易于定位與測量。

圖5 加密分區(qū)示意圖

2 結(jié)果與分析

使用INPHO空三加密軟件對外業(yè)測量的控制點進行判讀與刺點，空三解算后與野外測量數(shù)據(jù)進行比較，其差值如表1所示，計算得到6個檢查點的高程中誤差為0.038 m，最大誤差小于0.060 m，32個控制點的高程中誤差為0.021 m。而數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范對1∶500地形圖平地區(qū)域高程精度的要求為0.15 m，因此解算后精度顯著高于項目設(shè)計限差精度，提高超過0.10 m，完全滿足了空中三角測量解算要求。

表1 試點區(qū)域網(wǎng)絕對定向精度統(tǒng)計(單位/m)

內(nèi)業(yè)采集結(jié)束后，對選取的508個高程注記點疊加已有測區(qū)影像圖進行紙圖打印，提供外業(yè)測量。由于打印幅面的影響，最終對試點區(qū)域劃分為10個小區(qū)域進行打印，安排四個小組同時進場測量。外業(yè)測量結(jié)束后，對內(nèi)外業(yè)采集高程注記點進行平差計算，最終高程中誤差為0.06 m。各區(qū)域高程注記點的內(nèi)外業(yè)差值統(tǒng)計如表2所示，絕大多數(shù)高程注記點精度達到規(guī)范要求，僅有約4%高程注記點精度超過規(guī)范要求1倍中誤差，但都位于2倍中誤差以內(nèi)。

表2 試點區(qū)域高程注記點內(nèi)外業(yè)差值分區(qū)域統(tǒng)計

對508個高程注記點進行內(nèi)外業(yè)高程差值進行統(tǒng)計，如表3所示。其中，64%的高程注記點差值小于6 cm，88%的高程注記點差值小于9 cm，表明了本文基于內(nèi)業(yè)立體采集的高程注記點方法可行，精度可靠。

表3 試點區(qū)域高程注記點內(nèi)外業(yè)差值區(qū)間統(tǒng)計

3 結(jié) 語

大比例尺地形圖測繪項目工作量大，航空攝影測量是快速高效實現(xiàn)大比例尺地形圖測繪的重要手段，但高程注記點野外測量受到作業(yè)范圍、時間、經(jīng)費、人員等影響，難以及時完成測量任務(wù)。本文基于鹽城市1∶500基礎(chǔ)地理信息采集項目，實現(xiàn)了基于全數(shù)字攝影測量平臺的內(nèi)業(yè)立體采集高程注記點的方法，通過選定試驗區(qū)域布設(shè)野外高程注記點進行了精度檢驗。結(jié)果表明，內(nèi)業(yè)立體采集高程注記點是一種可行、可靠、生產(chǎn)效率高的作業(yè)方法，可滿足數(shù)字攝影測量對空三解算精度的規(guī)范要求。通過提高航攝影像分辨率、像控測量、空三加密和立體采集等中間環(huán)節(jié)的質(zhì)量，對所有可能影響立體采集精度的過程成果嚴格把關(guān)與控制，1∶500大比例尺地形圖測繪項目可以進行內(nèi)業(yè)立體采集高程注記點補充全野外測高，減少作業(yè)時間，減輕野外作業(yè)強度，節(jié)約作業(yè)成本。