基于傾斜攝影測(cè)量的溶丘洼地高原區(qū)地形圖測(cè)繪應(yīng)用研究

王小東

(三贏土地房地產(chǎn)評(píng)估咨詢股份有限公司 海南海口 570100)

在一系列的高原地區(qū)的地形測(cè)量中，由于氣候復(fù)雜、海拔高、地理環(huán)境復(fù)雜，翻山越嶺、背扛監(jiān)測(cè)設(shè)備、日夜蹲守勘測(cè)的傳統(tǒng)測(cè)量方式明顯無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)階段地形測(cè)量工作的實(shí)際需求，因此造成了諸如地籍檔案簡(jiǎn)略、地理數(shù)據(jù)粗糙、人員素質(zhì)低下等頑疾[1]。所以，采用基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)來(lái)獲取、更新地形圖及地理信息數(shù)據(jù)已經(jīng)取代了純?nèi)斯げ杉瘻y(cè)量數(shù)據(jù)，成為目前地形測(cè)繪的主要技術(shù)手段[2]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)隨著航空攝影技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)高新技術(shù)。通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載先進(jìn)的傳感器，在低空從傾斜、垂直等不同角度對(duì)地面進(jìn)行攝影測(cè)量，從而獲取較為完整精確的地面高分辨率航測(cè)影像信息[3]。該文基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，采用EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)采集項(xiàng)目區(qū)地形數(shù)據(jù)，最終形成1∶500數(shù)字地形圖。

EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)是EPS地理信息工作站研發(fā)的多源多模一體化采編系統(tǒng)。系統(tǒng)提供基于立體像對(duì)、正射影像、全景影像、實(shí)景三維模型、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)的二三維一體化高效采編工具，直接對(duì)接基礎(chǔ)地形測(cè)繪、三維不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量、自然資源調(diào)查等專業(yè)應(yīng)用[4]。通過(guò)三維測(cè)圖系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)字地形圖精度可達(dá)到厘米級(jí)，地形圖的高程精度甚至可以接近平面坐標(biāo)精度水平[5]。

該文主要結(jié)合貴州甕安經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)1∶500 地形圖測(cè)量項(xiàng)目，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量重點(diǎn)完成甕安經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)1∶500地形圖航測(cè)工作以及像片調(diào)繪工作。

1 項(xiàng)目概況

根據(jù)國(guó)家相關(guān)要求，需要重新開(kāi)展融合土地利用規(guī)劃和城鄉(xiāng)規(guī)劃的國(guó)土空間規(guī)劃的編制工作，縣級(jí)國(guó)土空間規(guī)劃是國(guó)土空間規(guī)劃的重要組成部分，是落實(shí)國(guó)家、省級(jí)、市級(jí)空間規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和主要載體，兼具保護(hù)和發(fā)展的屬性。對(duì)政府，縣級(jí)國(guó)土空間規(guī)劃應(yīng)是統(tǒng)一行使所有國(guó)土空間用途管制的法定依據(jù)；對(duì)于市場(chǎng)，縣級(jí)國(guó)土空間規(guī)劃是協(xié)調(diào)保護(hù)和發(fā)展的公共政策，是全域國(guó)土空間開(kāi)發(fā)和保護(hù)的總監(jiān)圖，為市場(chǎng)提供明確指引；現(xiàn)行總規(guī)逐漸無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展需求。結(jié)合甕安經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)的實(shí)際情況，該項(xiàng)目測(cè)量范圍包含青坑基礎(chǔ)化工區(qū)（約11 km2）所有地形地貌情況，為接下來(lái)的甕安經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃提供1∶500基礎(chǔ)地形資料奠定基礎(chǔ)。

1.1 任務(wù)區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)地處云貴高原第二階梯，位于烏江中游，烏江橫貫北部，黔中北腹地，屬黔中北部溶丘洼地高原區(qū)，中部平緩、地勢(shì)東南高、西北低，最低點(diǎn)海拔479 m，最高處海拔1 567 m，平均海拔1 028 m，區(qū)內(nèi)地貌復(fù)雜多樣。

1.2 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)與點(diǎn)位的選擇應(yīng)保證其在內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)中影像清晰且易于辨別，為空三加密過(guò)程中的相片刺點(diǎn)提供便利，像控點(diǎn)常選取在地面標(biāo)志的角點(diǎn)、明顯地物的拐點(diǎn)、建（構(gòu)）筑物的角點(diǎn)等或直接選取較小的影像中顯示為點(diǎn)狀要素的地物中心[6]。在空三加密中，像控點(diǎn)分為高程點(diǎn)、平面點(diǎn)、平高點(diǎn)、高程檢查點(diǎn)等。該項(xiàng)目主要以平高點(diǎn)為主，采取區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案。區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點(diǎn)之間的跨度以能滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則。此次像控點(diǎn)具體布設(shè)方案為：在區(qū)域網(wǎng)最后一條航線垂直于航線方向和第一條航線且間隔一條航線上分別布設(shè)一排平高控制點(diǎn)，各條航線之間每隔5 條基線就布設(shè)平高控制點(diǎn)，并在區(qū)域網(wǎng)不規(guī)則處適當(dāng)增加平高控制點(diǎn)。

2 作業(yè)方法及流程

無(wú)人機(jī)低空航攝技術(shù)主要包括準(zhǔn)備工作、外業(yè)航攝及像控點(diǎn)測(cè)量、內(nèi)業(yè)成圖和外業(yè)調(diào)繪這5個(gè)階段，具體如下。（1）準(zhǔn)備工作：收集資料、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、分析資料、技術(shù)設(shè)計(jì)；（2）像控點(diǎn)測(cè)量：像控點(diǎn)布設(shè)、像控點(diǎn)測(cè)量、資料整理；（3）航空攝影；（4）內(nèi)業(yè)成圖：影響畸變改正、空三加密、立體測(cè)圖、內(nèi)業(yè)粗編；（5）外業(yè)調(diào)繪：地物補(bǔ)測(cè)、屬性調(diào)查、地名調(diào)繪、最后內(nèi)業(yè)編輯。

2.1 像控點(diǎn)測(cè)量

像控點(diǎn)測(cè)量采用基于千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 測(cè)量方法進(jìn)行施測(cè)，每個(gè)像控點(diǎn)在架設(shè)三腳架對(duì)中基礎(chǔ)上均測(cè)量10 次，并通過(guò)測(cè)量手簿自帶工具進(jìn)行坐標(biāo)平差，最終得到較為精準(zhǔn)的像控點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 航空攝影

此次航攝作業(yè)采用飛控平臺(tái)自帶的開(kāi)源高分辨率地球影像作為航線設(shè)計(jì)用圖，航攝高度設(shè)計(jì)以公開(kāi)的全球30 m 精度DEM 作為依據(jù)。根據(jù)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量規(guī)范，綜合任務(wù)區(qū)的地形地貌條件、考慮基高比、測(cè)圖精度及等高距，結(jié)合成本、效率、效果等因素，確定此次航攝地面分辨率（GSD）為5 cm。在航攝的過(guò)程中根據(jù)任務(wù)區(qū)地形起伏進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，每個(gè)任務(wù)分區(qū)之間根據(jù)任務(wù)區(qū)地形起伏相對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)不同相對(duì)航高。航空攝影的航高直接與地面分辨率（GSD）相關(guān)，其數(shù)學(xué)關(guān)系滿足正相關(guān)，如圖1所示。

圖1 地面分辨率與航高關(guān)系圖

式（1）中：a為像元尺寸；h為飛行高度；GSD為地面分辨率；f為鏡頭焦距。

通過(guò)計(jì)算分析，該項(xiàng)目相對(duì)飛行高度確定為：地面分辨率=5 cm，相對(duì)飛行高度=150 m。

2.3 空三加密

空三加密：根據(jù)野外實(shí)測(cè)的少量像控點(diǎn)，通過(guò)空三軟件進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程的測(cè)量方法[7]。

加密區(qū)域概況與精度敘述如下。（1）空三加密軟件：全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)Postflight Terra 3D；（2）平面控制點(diǎn)共23 個(gè)，其中包含16 個(gè)定向點(diǎn)，7 個(gè)檢查點(diǎn)；（3）高程控制點(diǎn)共23 個(gè)，其中包含16 個(gè)定向點(diǎn)，7 個(gè)檢查點(diǎn)；（4）空三加密精度統(tǒng)計(jì)：X方向平均值=±0.014，Y方向平均值=±0.016，Z方向平均值=±0.190；X方向最大值=±0.043，Y方向最大值=±0.044，Z方向最大值=±0.583；X方向中誤差=±0.019，Y方向中誤差=±0.020，Z方向中誤差=±0.240；平面（S）中誤差=±0.027，平面（S）差最大=±0.050。

2.4 立體測(cè)圖

該項(xiàng)目采用EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)景三維模型并輔于外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)采集任務(wù)區(qū)地形等高線及所有地物要素。其中，地形要素采集按南方CASS成圖系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。EPS傾斜攝影三維測(cè)圖支持三維實(shí)景模型同步生成正射影像，在沒(méi)有DOM數(shù)據(jù)的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)正射與模型同步，同時(shí)保證分辨率不失真。在三維實(shí)景模型上添加多個(gè)不同高程的水平切片，并將模型輪廓映射到二維視圖窗口進(jìn)行測(cè)圖，不僅滿足建筑物不同樓層不同輪廓的矢量采集，更是提高了建筑物的采集精度。該系統(tǒng)自動(dòng)提取高程點(diǎn)與生成等高線，在有植被覆蓋的區(qū)域，根據(jù)調(diào)整傾斜模型上生成的三角網(wǎng)與地形表面的貼合程度來(lái)修改錯(cuò)誤高程點(diǎn)，使提取出來(lái)的高程點(diǎn)更加吻合地形的變化，從而得到精確的等高線。

2.5 像片調(diào)繪及地形圖精編

2.5.1 像片調(diào)繪

（1）外業(yè)補(bǔ)測(cè)、補(bǔ)調(diào)的內(nèi)容一律以紅色注記表示在圖紙上；對(duì)可舍去不表示的地物和已拆除的建筑物，均在外業(yè)調(diào)繪圖上做刪除標(biāo)記，清晰地將外業(yè)定性表示和房檐改正等內(nèi)容表示出來(lái)。（2）該項(xiàng)目測(cè)繪的地貌要素、地物均在外業(yè)實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)圖時(shí)遺漏、判定不準(zhǔn)、看不清的地物，均在野外補(bǔ)測(cè)、補(bǔ)調(diào)。外業(yè)調(diào)繪的內(nèi)容清晰易讀地表示在圖上，各處注記位置恰當(dāng)，準(zhǔn)確無(wú)誤，書寫工整。（3）各種現(xiàn)狀地物，如排水邊溝、國(guó)防或通信光纜、舊路的波形護(hù)欄、蓋板溝等均實(shí)測(cè)其結(jié)構(gòu)物的走向、位置、長(zhǎng)度。（4）調(diào)繪圖的數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一采用南方Cass專用軟件進(jìn)行圖形編輯和數(shù)據(jù)處理。

2.5.2 地形圖精編

（1）最終地形圖的精編工作統(tǒng)一采用南方CASS專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯。（2）圖形編輯的注記、符號(hào)、線寬、線型等執(zhí)行《國(guó)家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1—2007）的規(guī)定。（3）內(nèi)業(yè)根據(jù)野外調(diào)繪和立體測(cè)圖成果，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖形編輯和房檐改正。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪的檢校數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)檢查，超限的部分反饋至外業(yè)進(jìn)行處理，補(bǔ)繪新增地物。（4）在立體測(cè)圖采集的等高線基礎(chǔ)上做適當(dāng)編輯，使等高線走向合理，線條光滑，避免抖動(dòng)，微小地貌不做等高線表示，等高線不穿越密集居民地。當(dāng)梯田坎坡腳與坡頂間寬度大于1 m 時(shí)，其寬度依比例尺表示。梯田坎過(guò)密，兩坎間距離小于4 m時(shí)不表示。（5）碎部點(diǎn)高程注至0.01 m，碎部點(diǎn)的間距為10～15 m。（6）數(shù)字注記及漢字注記根據(jù)外業(yè)調(diào)繪圖按圖式表示，地形圖各種要素之間按《國(guó)家基本比例尺地圖圖式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1—2007）要求合理配置。

3 精度分析及成果評(píng)價(jià)

3.1 精度分析

傾斜攝影測(cè)量的誤差主要來(lái)源于像控點(diǎn)布設(shè)、影像質(zhì)量、影像重疊度和畸變[8]，其精度分析是將從實(shí)景三維模型中提取每個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的模型坐標(biāo)與檢查點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)做對(duì)比進(jìn)行精度評(píng)估[9]。為保證測(cè)圖精度符合要求，在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)檢查點(diǎn)20 個(gè)，并采用網(wǎng)絡(luò)RTK在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)檢查點(diǎn)測(cè)量10次并進(jìn)行平差，得到較為精準(zhǔn)的檢查點(diǎn)坐標(biāo)，檢查點(diǎn)從JH01～JH20 進(jìn)行編號(hào)。表1為精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

從表1 中可知，將20 個(gè)檢查點(diǎn)在實(shí)景三維模型上的坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)位置實(shí)際測(cè)量的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比后得出，X方向中誤差=±0.032 m，Y方向中誤差=±0.037 m，Z方向中誤差=±0.211 m；平面中誤差=±0.049 m，高程中誤差=±0.211 m。均符合《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（GBT 7930—2008）中1∶500比例尺高原山區(qū)的精度要求。

3.2 成果評(píng)價(jià)

控制和地形圖測(cè)繪工作結(jié)束后，進(jìn)行“兩級(jí)檢查一級(jí)驗(yàn)收”工作，并通過(guò)業(yè)主組織的專家評(píng)審驗(yàn)收，做出以下檢查結(jié)論：該項(xiàng)目測(cè)繪成果符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求控制測(cè)量部分按規(guī)程操作，精度良好，資料齊全；地形圖測(cè)繪外業(yè)部分，數(shù)學(xué)精度良好，地物表示合理，圖式符號(hào)運(yùn)用正確，地理景觀描述恰當(dāng)，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；總體質(zhì)量為合格，能滿足下工序作業(yè)前的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該文利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)完成了貴州甕安經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)青坑基礎(chǔ)化工區(qū)11 km2的1∶500 地形圖測(cè)繪，平面中誤差、高程中誤差、成圖精度均滿足相關(guān)要求。基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)復(fù)雜地形地貌的溶丘洼地高原區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝，在提高了測(cè)量的作業(yè)效率、數(shù)據(jù)精度、作業(yè)安全水平的同時(shí)也節(jié)省了大量人力物力，并解決了傳統(tǒng)測(cè)量手段在高原復(fù)雜地形獲取三維地理信息能力不足的問(wèn)題。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐表明，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可滿足溶丘洼地高原區(qū)的大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目的需求。

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在溶丘洼地高原區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪過(guò)程中也存在著以下技術(shù)難點(diǎn)：一是黔中北溶丘洼地高原區(qū)地形起伏較大，山峰林立，常年有植被覆蓋，精準(zhǔn)的地表高程數(shù)據(jù)獲取困難；二是傾斜攝影測(cè)量往往數(shù)據(jù)量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件配置要求高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理難度大，作業(yè)輔助工具成本較高。這些不足還需在往后的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展中不斷地改進(jìn)和完善，使得傾斜攝影測(cè)量技術(shù)更加實(shí)用、高效、成熟。