二三維一體化新型基礎測繪實施探索

馮沖，韓健，溫旭昶

(1.廣西光譜空間信息科技有限公司，廣西 南寧 530000； 2.廣西華遙空間信息科技有限公司，廣西 南寧 530000； 3.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

基礎測繪是經濟建設、國防建設和社會發展的重要基礎性工作，其目的是建立全國統一的測繪基準和測繪系統，獲取基礎地理信息資料。隨著測繪技術的進步以及社會各行業對測繪資料的新需求，構建新型基礎測繪體系已經成為新時代基礎測繪轉型的必由之路[1]。2015年6月，國務院批復同意的《全國基礎測繪中長期規劃綱要(2015-2030年)》提出了到2030年全面建成新型基礎測繪體系的目標，因此，加快推進基礎測繪作業體系的轉型升級，實現基礎測繪的立體化統一管理，積極引入新型測繪手段已成為測繪地理信息行業創新發展的必然要求和戰略選擇[2]。

在傳統基礎測繪作業中，往往需要多次數據采集和處理才能分別得到二維、三維的空間信息產品，這就需要依賴大量的人力，作業效率低下。而二三維一體化技術可以在一次數據采集的基礎上同時完成二三維數據產品的生產，而且主要依靠計算機運算，具有很高的集成度，可以方便快速地建設基礎測繪的三維立體時空數據庫，極大地降低了勞動強度和作業成本，提高了基礎測繪的作業效率。基于此，本文以廣西某地數字化地形圖測繪及實景模型三維數據采集工作為研究對象，探索二三維一體化技術在新型基礎測繪作業中的實施應用，分析其作業精度，為未來新型基礎測繪體系的構建提供思路。

2 研究方法

2.1 項目概況

本項目位于廣西壯族自治區中北部，涉及測區面積約 80 km2，測區內各個村落均有公路連接，交通便利。項目采用航測法作業，需要在4個月內得到測區 0.05 m分辨率的三維模型、1∶1 000 DOM、1∶1 000 DEM和 1∶1 000的測區地形圖。

2.2 技術要求

為保證基礎測繪作業產品的質量，依據相關測量規范和設計書的技術要求，列出本項目的精度要求如表1所示。

表1 項目精度指標表

2.3 作業流程

項目采用內外業一體化航測法進行數據的采集和處理，主要包括資料收集、無人機航空攝影、像控測量、三維實景建模、航測內業數字測圖、外業調繪和補測、成圖編輯、成果入庫等環節，具體流程如圖1所示。需要嚴格控制每個環節的工作質量，各環節質檢合格后才可移交下一環節。

圖1 項目作業流程圖

2.4 二三維一體化技術的應用

(1)測繪數據的采集

近年來，隨著無人機技術的發展和數碼相機的更新換代，傾斜攝影測量技術已經廣泛應用于各類基礎測繪作業中，很大程度上取代了過去基于二維平面作業的GPS聯合全站儀的作業方法，可以得到高精度的測區三維模型。但是，在高山峽谷等地形復雜地區布設和測量像控點的難度極大，會影響航測中空中三角測量的質量，難以獲得高精度的數據產品，而且由于無人機飛行高度和航攝儀傾斜角度的限制，傾斜攝影測量所得的三維模型在靠近地面部分會出現紋理模糊、扭曲變形的現象，也無法還原地面被遮蔽區域的紋理信息，無法滿足新時代基礎測繪“全覆蓋、無死角、高精度”的需求[3]。所以，僅依靠單一技術手段無法勝任快速高效的成圖需求，而將二維的圖根控制測量數據與三維傾斜影像數據相結合，在圖根點中提取部分特征點作為控制點，與像控點共同參與空三解算，進行一體化數據處理可以有效地解決上述問題，實現空地一體，優勢互補，數據采集的流程如圖2所示。

圖2 空地一體化數據采集流程圖

本項目所在測區已被E級控制網所覆蓋，測區首級控制可以滿足圖根控制測量的條件，所以采用網絡RTK的方法直接測量圖根控制點，像控點的測量同樣采用網絡RTK法。施測時，使用廣西GX-CORS系統獲得平面坐標，結合廣西似大地水準面精化成果獲取高程坐標，在每時段作業開始和結束時都要與測區的已知點和已測點進行檢驗，以確保測量精度，這樣即可得到可靠的圖根點坐標和像控點坐標。

三維數據的獲取需要借助于傾斜攝影測量，根據地形起伏情況將測區劃分為北部平坦區域和南部丘陵區域，分別設計兩套航飛方案，參數如表2所示。選擇晴朗少云、能見度在2000米以上的天氣進行航飛作業，獲取測區的傾斜影像。

表2 測區航飛方案設計參數表

(2)地形圖的生成

地形圖是基礎測繪工作中最重要和應用最廣泛的基礎地理數據。傳統基礎測繪作業時，必須同步繪制觀測草圖，記錄所測地物的形狀并注記測點的序號，在內業處理中將觀測數據傳輸至計算機，在測圖軟件中對照觀測草圖對導入的地物點坐標進行勾繪處理，從而得到測區地形圖數據。這種數據的采集和編輯互相分離的作業模式顯然降低了工作效率，而且觀測草圖的質量直接影響最終地形圖的質量。

傾斜攝影測量技術的引入逐漸取代了過去的觀測草圖，是當前數字地形圖獲取的主要手段之一。傾斜攝影立體測圖能夠獲取高精度的數據產品，數字地形圖的生產主要利用攝影測量數據處理系統進行測區三維數據的采集，然后導入繪圖軟件進行編輯，最終得到DLG入庫數據和制圖數據[4]。這種方法雖然免除了觀測草圖的繪制，但是三維數據的采集與編輯過程相互獨立，必須在采編軟件中進行數據轉換后才能進行后續作業，加大了工作量，無法滿足地形圖的快速生產。

二三維一體化技術可以很好地解決過去傾斜攝影測量中數據采編相互分離的問題，實現數字地形圖采編一體化作業，應用二三維一體化技術進行地形圖繪制的作業流程如圖3所示[4]。

圖3 二三維一體化地形圖繪制作業流程圖

對傾斜攝影測量獲取的影像數據進行相對定向、像控刺點、絕對定向和核線重采樣之后就可以得到測區三維模型和數字正射影像等產品。在清華山維EPS軟件中新建測圖工程，采用分屏方式同步加載測區三維模型和正射影像數據，通過矢量數據的三維映射對模型進行立體量測，就可以同時進行地物數據的采集和屬性信息的編輯，進而完成各類地物的勾繪[5]。在成圖過程中要注意以下幾點：

①繪圖時遵循由整體到局部、由精確到一般的原則，逐級采集三維模型數據，先繪制測區內主要的道路、建筑、河流，再勾繪次要地物。

②對各類地物分層管理，可以根據測區實際情況將地物分為定位基礎、行政區劃、水系、交通、居民地、管線、地貌、植被等八大類要素以便于后續入庫管理[6]。

③對于建筑、道路等精度要求較高的地物采用放大屏幕的方法控制誤差，菜地、果園等一般地物的繪制，屏幕不需要放很大，以此來提高成圖效率[7]。

這樣二三維一體化作業克服了過去采編獨立帶來的問題，而且繪制所得的地形圖自身融合了測區三維信息，可以為測區的土地利用規劃和地籍測量等領域提供新的解決方案。圖4展示了在軟件中采集編繪房屋的示意圖。

圖4 采集編繪房屋示意圖

3 精度評價

3.1 數據產品精度

(1)DEM成果精度

采用實地抽樣檢查的方式對DEM的精度進行評定，將測區按地形分為平地、丘陵和山地三類區域，共選擇54個檢查點，利用GPS RTK和全站儀的測量結果作為檢查點坐標真值，與DEM上對應檢查點的高程進行對比評定，DEM的精度評定表如表3所示。

表3 DEM精度評定表

經檢驗，DEM的精度為10.13 cm，符合項目精度要求。

(2)DOM成果精度

對DOM影像進行100%的內業檢查，位置精度通過實地抽樣檢查，選取的54個檢查點與抽查DEM時相同，將檢查點的實測坐標與DOM圖上坐標值進行對比評定，DOM的精度評定表如表4所示。

表4 DOM精度評定表

經檢驗，DOM的精度為8.04 cm，滿足項目精度要求。

(3)DLG成果精度

對地形圖的檢查內容包括地形圖平面精度、地形圖高程精度、數據及結構正確性、整飾質量和附件質量。平面精度和高程精度均通過抽樣檢查的方式進行評判，在測區內分別選取65個平面檢查點和76個高程檢查點進行實地測量并與地形圖上坐標進行對比評定，精度評定表分別如表5、表6所示。采用人工檢測的方式對地形圖的數據結構正確性、整飾質量和附件質量進行檢查評定。

表5 DLG平面精度評定表

表6 DLG高程精度評定表

經檢驗，地形圖的平面精度為 8.37 cm，高程精度為 11.02 cm，空間參考系和時間精度均符合要求，各地形要素采集基本正確，點線面要素的幾何表達、圖形綜合取舍均符合技術設計要求，與周圍圖幅的幾何位置和屬性接邊均正確，沒有出現重要項目的錯漏，地形圖質量滿足技術要求。

(4)其他精度

項目外業所測像控點的平面中誤差為 2.8 cm，高程中誤差為 3.1 cm，符合設計書要求。空三加密后所生成的三維模型成果的空間參考系和時間精度均滿足項目要求，模型的平面中誤差為 6.65 cm，高程中誤差為 7.89 cm，模型接邊準確、無明顯縫隙，精細度符合要求。

3.2 結果分析與展望

數據產品的精度表明二三維一體化技術的應用完全滿足基礎測繪的質量要求，項目所得的 1∶1 000地形圖和實景三維模型在檢驗中達到了優級品的水準，生產效率比傳統方法提高了50%以上，日均工作成本節約60%以上，項目總經費只占預期經費的60%，所創造的經濟價值達 1 000萬以上，這些數據都證明了二三位一體化技術在基礎測繪中具有巨大的應用價值。相比較于傳統基礎測繪作業，本項目中二三維一體化技術的應用具有以下5個顯著優勢：

(1)無死角測圖，實現真正的全景測量，可以采集更豐富的地物特征信息，能更好地服務于各類應用場景，滿足新時期智慧城市云服務的需求。

(2)一次采集就可以得到多種數據產品，并且可以在產品的基礎上快速衍生，按需投入進行定制。例如，可以在三維模型基礎上衍生出專題地形圖，對測區內的建筑頂部私自搭建的違章建筑進行采集和面積計算，服務于城市管理部分。

(3)高精度，可以滿足地籍和房產測繪的需求，顛覆了傳統測繪的應用場景。例如，可以把傳統礦山測量的格網密度由十米級、米級提高到分米級甚至厘米級，實現跨越式提升。

(4)作業效率提高，不需或只需布設少量外業像控點，同時內業數據處理依賴集群計算，自動化程度更高。

(5)集成度高，一套系統就可以處理傾斜攝影的海量數據，可以有效保障基礎測繪信息的生產、服務和更新。

當前的基礎測繪正在向信息化、智能化和網絡化的方向發展，越來越多的新型測繪技術和設備已經服務于我國的測繪事業，未來的基礎測繪體系建設可以從技術手段、工作內容、成果形式和生產服務模式四個方面更新完善[8]。在技術手段上，可以利用可量測的數碼相機或車載激光掃描儀來獲取近地測繪數據，取代過去的圖根控制測量，再融合無人機傾斜攝影測量構成高度自動化的二三維一體化基礎測繪體系，達到全方位測圖的效果[3，9，10]。未來還可以融入遙感技術和衛星導航定位技術，完善數據資料的多元獲取方式，將空地一體化擴展到空天地一體化，實現全球覆蓋、海陸兼顧。在工作內容上，可以加強對云平臺、大數據和人工智能等技術的研究，進一步優化基礎測繪的作業流程，開發一套集方案規劃、數據處理和信息系統于一體的基礎測繪系統，促進數據處理的一體化，提高作業效率，提升測繪行業面對突發事件的應急保障能力[11]。在成果形式上，不再局限于過去的紙質地形圖，積極推進三維實景地圖、城市精細化模型的構建，利用云存儲等技術建設新型地理空間數據庫，實現海量成果數據的查詢、管理和應用。在生產服務模式上，基礎測繪應將服務對象從測繪地理信息行業轉向全行業，豐富測繪產品的種類和應用領域，對產品進行及時更新，向社會提供多樣化個性化的服務，促進新型基礎測繪大眾化公益化的有效實施。

4 結 語

本文研究了二三維一體化技術在廣西某地基礎測繪的應用，歸納整理了二三維一體化采編作業的流程和技術要點，分析了作業精度，驗證了其在新型基礎測繪作業中具有很好的可行性和應用價值。在當前大數據、云計算、高速通信技術快速發展之際，二三維一體化作業流程會進一步得到規范和優化，逐步形成高效智能的生產、管理、服務體系，從而為社會各界提供應用場景更廣、更新周期更短、數據精度更高的基礎測繪產品和服務，更好地保障國家基礎測繪信息平臺的良好運行。