大比例尺地形圖航攝制作與內業質量控制研究

崔健，李健，王鵬，杜洪濤，周磊

（1.山東建筑大學測繪地理信息學院，山東濟南250101；2.濟南市勘察測繪研究院，山東濟南250101）

0 引言

地形圖測繪是測繪工程建設中的一項重要工作［1］。傳統大比例尺地形圖的測繪方式由于所需要的步驟繁雜，受條件限制頗多，存在人力和物力投入大、項目周期長、成本耗費高等問題，使得工作效率低下，難以滿足測繪工程項目建設過程中所要求的整體性及時效性。隨著無人機技術的快速發展，無人機測量平臺憑借其響應迅速、靈活性強、可快速獲取地面數據的突出優勢，大大地提高了工作效率，逐漸在測繪工程領域得到廣泛的應用［2-6］。隨著城市的不斷更新與城市規模的擴大，1：500大比例尺地形圖由于其位置要求精度較高且地形地物表示詳盡，已廣泛應用到城市規劃、建設與管理等各項工作中，是規劃、管理及建設過程中的基礎資料。所以如何快速高效地生產大比例尺地形圖，為城市的規劃管理工作提供詳實的基礎資料，是當今亟需解決的問題［7-10］。

無人機的興起為城市基礎資料的獲取提供了新的手段［11］。鄧學鋒等通過以無人機作為低空遙感平臺，自主研制了一種三軸穩定云臺裝置，使無人機獲得的影像能夠滿足大比例尺地形圖測繪的規范要求［12］；謝建春等通過在外業采用實時動態差分等技術實現了利用低空無人機航攝系統制作1：500比例尺的DOM、DEM［13］；林蔚凱介紹了無人機航測系統在丘陵地區測繪地形圖的應用［14］；張久龍等以固定翼無人機航攝平臺為基礎，通過實地采集的檢查點與空三加密結果的比較，分析了無人機航測系統在農村地籍測量中應用的可行性［15］；李津嶺等以實際工作為依據，介紹了1：10000比例尺地形圖航攝的內業質量控制方法［16］。在1：500大比例尺地形圖航測的內業質量控制方面，國內學者少有具體介紹，文章以多旋翼無人機航攝平臺為基礎，通過實地的飛行數據采集，使用地理信息工作站EPS的地形測量模塊進行數字線劃圖的采集及制作，對內業制作過程中如何保證規范化數據采集、控制成圖精度，以及有效地進行質量控制等做出了詳細闡述，并通過實際生產成果數據進行精度評價：測量成果滿足測量精度要求，使用無人機航測技術可有效地提高生產效率，縮短作業周期，從而為地形圖快速進行生產與更新提供技術支持。

1 項目概述

1.1 測區概況

研究區選取面積約為1.3 km2的范圍，如圖1所示。研究區內包括房屋、道路、耕地、草地、林地等地物地貌對象。

1.2 飛行平臺選擇

多旋翼無人機相對于固定翼無人機來講，因其自身重量輕、體積小，具有很強的機動性和適應性，且操控簡便，不需要跑道便可垂直起降，適合多平臺、多空間使用［10］。

圖1 研究區概況圖

飛行平臺采用大疆Phantom4Pro無人機航攝系統，搭載一顆2000萬影像傳感器，巡航速度為10～20 m／s，最大飛行高度為200 m，巡航時間為30 min，可以14張／s的速度拍攝照片，并能夠進行實時存儲與傳輸。

2 數據采集與建模

2.1 數據采集流程

無人機航測技術進行數據采集的流程主要包括：明確測量任務、航空攝影測量、像控點測量［6］、內業數據處理、精度評定與外業調繪和最終輸出合格的產品，如圖2所示。

圖2 無人機作業流程圖

2.2 航線設計

像片重疊度是影響數據精度的重要指標，所以合理的設置重疊度是作業初期的重要工作。一般來說，常規小比例尺航空飛行作業，由于其所需比例尺較小，在保證精度的前提下，其航向重疊度可設計為60%～65%，旁向重疊度為30%～40%，但基于此次影像數據采集后的用途不僅用于制作1：500地形圖，還需要兼顧城市三維建模的工作，在影像數據量、影像精度上有著新的要求，即通過合理提高重疊度以獲取更多的影像，有效提高數據精度。所以考慮到上述因素，項目飛行平臺采用四旋翼無人機航攝系統，以測區的地形特征為基礎，影像航向重疊度設置為80%，旁向重疊度為80%，用以滿足實際項目要求。

2.3 像控點布設

像控點的選擇不僅與設計的布點方案有關，還要依據實際情況考慮像點的精度、各類誤差改正等對像控點的具體點位要求。像控點的精度影響到后期絕對定向，從而進一步影響影像的精度。所以，像控點布設根據實際項目要求，應結合測區的特點，按照全區航線設計每隔300 m統一布點，且布設的像控點應盡量均勻分布，使全區精度均勻；點位應盡量選擇在明顯的位置區域，如道路交界處［14］，便于目視識別，方便后期刺點以提高刺點精度。像控點的測量采用GPS-RTK技術，對每個像控點獨立采集2次，每次間隔60 s，2次點位平面誤差＜2 cm，高程誤差＜3 cm，并拍攝該像控點位周圍的圖像，最終以2次測量數據的平均值作為像控點的最終成果。

2.4 數據建模

項目外業影像數據處理采用法國Acute3D公司的Smart3D處理軟件，相對于其他建模軟件平臺，其操作簡便、建模迅速、且能完成大數據量級別的建模，輸出模型成果直觀真實。在野外航測完成后，將無人機獲取的影像數據按照一定的順序分別放入不同的文件夾中，在Smart3D中創建新的工程，將影像加載到軟件中，在工程準備完成后進行空三加密的工作。空三加密是無人機航攝內業處理的關鍵步驟，其主要作用是利用測區內少量的地面控制點進行控制點加密，求出加密點的平面位置和高程，以及各張像片的外方位元素，并進行模型制作，輸出OSGB格式的三維模型。

3 數字線劃圖制作

傳統的1：500地形圖測量工作外業人工采集繁瑣、勞動強度大、存在成本高昂、作業周期長、數據作業格式不統一的劣勢，且地形圖更新緩慢，無法及時有效的完成工程快速建設的工作需要，影響了后期的數據管理與入庫工作，而采用無人機的作業方式與常規使用全站儀、GPS-RTK的作業方式有很大的不同，其最大特點是能夠高效的進行外業數據采集和處理，縮短作業周期，提高了工作效率，但同時也對內業數字線劃圖的制作提出了新的要求：如何通過內業的質量控制手段來提高線劃圖的精度至關重要。

3.1 數據檢查

數字線劃圖的采集使用EPS，通過調用軟件的地形測量模塊，將模型以及正射影像導入EPS，使正射影像與三維模型在同一個視圖下顯示，實現了二三維的真實聯動，如圖3所示，進一步方便數字線劃圖的快速采集。為了防止數字線劃圖采集過程中出現采集位置偏移的現象，數據導入后要對數據進行檢查，檢查內容主要包括模型的完整性、是否有重疊和清晰等，數據檢查無誤后方可進行下一步工作。

圖3 二三維聯動顯示圖

3.2 數字線劃圖采集

通常情況下，地物要素的采集應遵循一定的順序要求，進行采集線劃圖數據時，應采集測區內的框架要素，如水系、道路等，在確立整幅圖的框架基礎后，再采集其他要素。數據采集的基本原則是：保證地物采集要素特征的完整性和準確性；在圖示和規范的要求下進行合理的綜合取舍；要素采集定位要在三維模型下反復觀察，真正做到判斷有依據，定位準確，最終確定要素在圖幅上的位置。

地物要素的采集應以三維模型為基準，在三維模型下通過作輔助線的方式切準地物的定位點，繪圖時嚴格按照地物的實際情況采集，要求所采集線劃圖能夠做到對地物的真實反映。在模型不清楚的區域，尤其在三維模型視圖下無法做出有效判讀時，則需要用特殊的界線符號標定出來，并注明原因，以便外業調繪人員進行外業調繪。點狀地物的采集為要素的中心位置；線狀地物應依據要素中心線位置采集，線型選擇正確且走向明確；面狀地物應按照地物的外圍輪廓線采集，構成嚴格的閉合面，屬性錄入正確；地物標注應按照地物的類別分別標注，標注位置和方向應按照圖示的要求設置。

3.2.1 圖幅分區

考慮到模型的數據量龐大，模型的地理信息較為復雜等特性，內業作業人員無法一次性繪制整個區域線劃圖，因此將模型合理分區進行內業繪制顯得非常重要。圖幅分區既要考慮模型完整性，又要考慮后期的拼接精度。作圖前選取模型覆蓋區域內的道路、河流等標志性的線狀地物，或者以某大面積空曠地帶作為分幅基準。為保證后期圖幅合并時的精度以及提高工作效率，可按照一定的順序對分區后每一個區域進行命名編號，完成對圖幅的分區。

3.2.2 道路采集

選擇從道路繪制開始，公路與其他雙線性道路在圖上均應按照實際寬度依比例尺表示，沿道路邊線內側依次連點成線，通過確定道路的位置用來確定整幅線劃圖的框架，形成大致輪廓。道路按照等級劃分為省道、主干道、次級道路、支路等類別，選擇相應的線型表示，并在道路轉彎處斷開，避免不同的道路等級混淆不清。道路的材質類型按其鋪設面材料分為“瀝”“砼”“石”等類別，機耕路、小路由于等級較低則不需注記材料，道路名稱標注要沿道路走向每隔一定距離垂直于道路標注，方便識圖。

3.2.3 建筑物采集

居民地的各類建筑物、構筑物及主要附屬設施應準確按照外圍輪廓采集，能夠如實反映建筑物的結構特征，通過作輔助線的方法用來確定建筑物的邊線與角點位置，如圖4所示。房屋的輪廓一般以墻基外角為準，沿外角構面，并加注房屋結構和層數。

圖4 房屋角點采集圖

建筑物采集既要做到能夠反應建筑物的結構特點，又要有效的保證采集精度。通常情況下，建筑物的角點位置是由兩條相交且垂直的線構成，在作圖時經常會出現非垂直的情況，這就要求在作圖時應嚴格以三維模型的信息為準，做到對模型有充足的觀察與理解，而且在作圖完成后進行精度驗證，使其更加符合真實的三維模型。

3.2.4 等高線繪制

地形圖上的等高線能夠反映出地形類型、坡度坡向、地勢的高低起伏等狀況。高程點采集作為等高線繪制的首要工作，采用“品”字形采集高程點，一般每隔15 m的距離采集一次，既不可過密造成點位堆積，又不可因為過于稀疏無法反映地形的走勢，從而保證高程點在全圖上有一定的密度，均勻的分布在測區內，避免出現疏密不勻的情況。

基本等高距設置0.5 m為標準，繪制首曲線，即在每隔0.5 m處要有等高線來表示地勢的走向，而每隔2.5 m繪制計曲線。等高線不可穿越雙線性地物，如道路、河流、湖泊等，一般選擇斷開在建筑物、坎的一側。等高線的繪制有2種途徑：（1）通過構建格網的方式，選取一定面積的測區范圍，自動生成選取范圍的格網，然后生成等高線，此方法的特點是可快速根據區域內的高程生成等高線，但無法自動斷開在雙線性地物處或者按照要求有選擇的斷開；（2）通過依次觀察高程的數值變化，按照基本等高距手動繪制，采用此方法的優勢是能夠按照作業人員的要求隨時進行修改，但是工作量大，容易出現遺漏等情況，所以考慮到2種方式的特點，一般是通過構建三角網的方式自動生成所選取范圍內的等高線，手動剔除不符合要求的等高線。由于高程點數目較多，所以在繪制等高線時要仔細觀察，整體把控，做到不漏畫一條等高線，同時每繪制完一條等高線，要沿等高線兩側校對高程值是否在基本等高距的范圍內，如有超出范圍的高程點，則需要進行修改。

4 質量控制

4.1 內業質檢

數字線劃圖內業采集完成后形成了初步圖幅成果，如圖5所示。要對線劃圖的地理要素完整性、準確性進行檢查，在內業對其質量進行初步驗證。

4.1.1 完整性檢查

地理要素的完整性檢查主要包括以下幾點：（1）所繪制的線劃圖內容是否有地物繪制遺漏缺失，地物繪制遺漏的原因往往是由于模型自身的清晰度欠缺或者精度過低造成，使模型存在問題區域，無法為作業人員提供有效的作圖依據，此時要對問題區域進行原因標注，方便后期的外業調繪檢查；或者是由于作業人員的疏忽導致，此時則需要對缺失地物按照規范重新繪制。（2）對于某些可以不予繪制的地物是否有重繪而存在取舍不合理的現象，解決方法是對照相應規范重新校對取舍的合理性，對相應的要素數據刪除或保留。（3）不同小面積的圖幅合并后在圖幅公共接邊處出現地理要素重復、缺少或者錯位現象，出現錯位的原因大多是由于在合并圖幅時沒有確定好公共點，造成公共點位置的不一致，進而造成不同圖幅之間的錯位。解決錯位問題一般需要重新校對不同圖幅之間的公共點，直至錯位消失。

圖5 無人機航測內業線劃圖

4.1.2 準確性檢查

線劃圖內容的準確性則是指地物要素的屬性是否存在不一致性，如面狀地物賦予了“線”屬性；文字標注類型錯誤，如路面材質類型、房屋結構類型標注錯誤；地類要素之間圖層分類混亂；點、線、面之間的拓撲關系在邏輯上存在錯誤或者未建立拓撲關系；地類要素存在壓蓋的情況等。通過EPS軟件的數據檢查功能可逐條進行修改。

4.1.3 質量初步驗證

在完成數據的完整性和準確性檢查后，通過作輔助線的方式隨機采集地物的定位點、線，檢查圖幅是否有粗差出現，若出現粗差，則需要確認作圖是否出現定位不準確的問題，然后依據定位點重新作圖。

4.2 外業調繪

外業調繪是線劃圖制作的重要內容，也是檢驗內業制圖成果的有效手段，通過外業調繪，對內業繪制要素數據與測區現場實際情況進行對比，校核地物的完整性以及驗證成圖的精度［1］。在1：500無人機測圖中，外業調繪的工作主要包括以下內容：（1）地物類型核實 內業作圖的依據是三維模型，在某些情況下，對于模型清晰度欠缺的區域，單憑人眼的判別有時是難以辨別地物類型，如電桿與路燈作為點狀地物在三維模型上的區分經常容易混淆；而某些大面積地物的地類類型，如大范圍林地的種類屬于楊樹林還是果樹林，難以做出有效判斷，這就要求外業調繪人員在工作中必須核實圖紙上的內容是否與實際一致。若出現不一致，則需要在圖紙上清楚標注，以方便內業人員的修正。（2）屬性核實

屬性核實一般是對地物的標注屬性進行核查，比如建筑物的層數，尤其針對高層建筑物的層數，對錯標和漏標的要予以糾正，以及建筑物的結構類型，由于在某些建筑物密集地帶，建筑物之間的間距較小，造成模型遮擋嚴重，其結構類型往往難以做出合理判斷，所以在外業調繪時要對類似區域著重核查記錄。（3）地物補測 由于某些不規則地物之間的界限模糊，難以區分，為保證數據的精度，需要現場實測，然后統一進行內業的繪制。（4）精度驗證 外業調繪時的精度驗證不同于內業，為檢驗內業作圖的精度，選取測區范圍內一定數量的檢測點，檢測點應均勻的分布在測區內，通過GPS-RTK的作業方式實測檢測點的坐標數據與高程數據，對每一個點位應有明確的編號，其位置應與圖紙上一一對應。在外業調繪完成后，將調繪的數據拿到內業進行繪圖，輸出最終的成果。

4.3 大比例尺成圖精度評價

通過采用GPS-RTK外業調繪后的數據和無人機內業地形圖采集數據進行精度對比分析：主要從數學精度方面進行對比。數學精度主要包括平面精度（平面坐標）以及高程精度，外業測量數據整理完成后內業成圖，通過選取相同位置點位的坐標數據進行較差計算，利用點位中誤差公式計算出檢測點的中誤差，并進行精度統計，由式（1）表示為

式中：M為中誤差；Δ為點位差；n為檢測點位數量。

4.3.1 點位平面誤差檢定

在研究區范圍內，均勻選取測區內的房屋角點，井蓋的中心點，電桿點，溝、坎的定位點，路燈等作為平面位置精度的檢測點，對測區內30個檢測點進行外業實測，并與內業線劃圖數據進行對比，然后進行精度統計，結果見表1，其中誤差為0.10 m，從結果可以看出，平面精度滿足1：500大比例尺地形圖 的測圖規范。

表1 點位平面誤差統計表／m

4.3.2 高程誤差檢定

在高程精度方面均勻選取居民區、道路和耕地等區域的38個高程點進行對比，結果見表2，其中誤差為0.06 m，滿足相關規定要求。

表2 高程誤差統計表／m

通過研究區的外業調繪數據與內業線劃圖的成 圖精度進行比較得出：基于多旋翼無人機平臺獲取的影像可用于1：500大比例尺地形圖的生產，測量成果滿足城市測量規范要求，可以快速完成測繪任務的要求。

5 結論

通過上述研究可知：

（1）基于多旋翼無人機平臺的地形圖采集制作，彌補了傳統測繪方式周期長的不足，加速內外業數據成圖的一體化作業流程，通過內業的質量控制手段和外業調繪可以有效的保證線劃圖的質量，為大比例尺地形圖的測繪提供了新的手段。

（2）多旋翼無人機航攝系統能夠快速高效的獲取高精度影像，在研究區范圍內，點位平面誤差檢定結果中誤差為0.10 m，高程精度檢定結果中誤差為0.06 m。通過三維場景的創建，實現了數字線劃圖的三維可視化表達，成果直觀豐富，有效的改進了傳統的測繪方式，大大提高了工作效率，使得無人機測量技術在測繪領域中的應用更加的廣泛。

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