基于地空一體化的1∶500地形圖測繪應用
——以寧波市北侖區某測區為例

張偉，付玲，柳婷

(1.寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波　315042；　2.寧波工程學院，浙江 寧波　315211；3.寧波市阿拉圖數字科技中心，浙江 寧波　315042)

1　引　言

目前大比例尺地形圖都是通過全野外數字化進行測圖，由于成圖精度要求，運用航空攝影測量進行大比例尺地形圖測繪的主要集中在 1∶2 000及以下比例尺，而運用于 1∶500地形圖測繪項目上是鮮有案例。隨著航測儀器(工作站)的升級，數碼攝影(DDC)的應用，航空攝影測量精度進一步提高，獲取高精度高分辨率影像逐漸成為常態。同時通過無人機及激光雷達可以快速獲取航攝影像及激光點云數據，為新方法應用于 1∶500大比例尺測圖提供了技術保障。且經實驗成果對比測算，基于無人機航攝影像提取的地形要素滿足 1∶500大比例尺三類地物的精度要求；基于激光點云獲取的高程精度滿足 1∶500大比例尺高程精度要求。因此，采用全野外數字化測圖法與基于航攝影像的遙感測圖法相結合的方式進行地空一體化的 1∶500大比例尺地形圖測繪。采用地空一體化進行 1∶500地形圖測繪，針對寧波多臺風多梅雨等地域情況，可以提高測繪的工作效率，滿足城市建設快速發展對地形圖數據的需求。

2　技術路線的選擇

按精度1∶500大比例尺地形圖的地物點可以分為3類，一類地物點為城鎮道路、街道、巷道兩側明顯建筑物(構筑物)拐點；二類地物點主要指設站施測困難的明顯建筑物(構筑物)拐點及農村居民地明顯建筑物(構筑物)拐點；三類地物點為除上述兩類地物點的其他地物點。這些地物點要求測繪的平面與高程精度如表1所示。高程注記點中誤差不大于±0.15 m，等高線插求點的高程中誤差(相應等高距取 1 m)：丘陵地不大于1/2基本等高距(即±0.50 m)，山地不大于2/3基本等高距(即 ±0.66 m)，高山地不大于1根基本等高距(即 ±1.00 m)，隱蔽地區放寬一倍。

地物點相對于鄰近控制點的點位中誤差　　　　　表1

隨著無人機遙感技術和數據攝影的迅速發展，通過無人機獲取高精度地表模型數據越來越便利。于是利用無人機作為遙感平臺搭載經過可量測化處理的CCD相機進行航空攝影，通過設計無人機的像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線彎曲度、航高、影像質量等的各項技術指標，可以獲取地面分辨率 4 cm的影像。經測算獲取的地物點精度的中誤差為 10 cm，完全滿足三類地物的測圖精度要求。因此，針對實際情況，采用基于地空一體化的 1∶500地形圖測繪新方法的技術路線，即一、二類地物采用全野外數字測繪、三類地物采用基于航空攝影的遙感測圖法的總體技術路線，如圖1所示。

圖1　項目技術總路線

3　項目實施

依據項目采用的技術總路線，先做好資料收集、技術設計、項目分區等工作；然后采用全站儀或GPS-RTK對測區內的一、二類地物進行野外測量，與此同時，利用無人機和激光掃描車對三類地物、高程以及山區進行內業航測、外業核查測圖；最后對所有地物點數據按分區進行接邊、編輯、整飾、最終檢查等，而過程檢查貫穿整個項目實施過程中。其中激光點云處理技術和無人機航攝技術是項目的關鍵技術，前者提供了高程、山地等高線的解決方案，后者為項目所采集的三類地物精度、項目工期等提供了保障，是項目實施的重中之重。

3.1　一、二類地物采用全野外數字化測圖法

項目中測區內的居民建筑區內所有要素和其航測區域內的二類地物點采用全野外數字化方法，利用全站儀或GPS-RTK進行地形要素的全面采集，內業則利用AutoCAD或南方CASS軟件進行數字地形圖編輯、整飾。碎部點類別有：水系(含坡腳線、水涯線、水閘等)，居民地及設施(含建筑物、花壇、水井等)，交通(含道路、橋梁、加油站等)，管線(含高壓輸電線、電力線、消防設施等)，地貌(含高程、陡坎等)。依據要素的原則進行過程檢查，過程檢查合格后形成階段性成果(如圖2所示)，提交數據與航測地形圖成果進行接邊。

圖2　全野外數字化測圖階段成果

3.2　基于無人機攝影的遙感測圖法

項目對航測區內的高程、三類地物點進行數字化地形要素采集，采用“先內后外”的方法進行成圖生產，即利用航片和基礎控制成果，生成高精度影像模型，采集道路、水系、地貌等地形要素。而對于整個測區內的高程，則利用高密度激光點云數據，獲取高程值并生成等高線，具體技術路線如圖3所示。

圖3　基于航空攝影的遙感測圖法技術路線

(1)激光點云獲取高程、等高線

本文利用寧波市第一次地理國情普查成果中的點云分類成果數據采集非建筑區內的地面高程點以及生成山地的等高線。平坦地區不繪制等高線，用高程注記點表示地形起伏。利用Terra Scan和Terra Photo，結合點云和正射影像按照設計關于高程點分布和密度的要求，人工提取地面點上的高程數據。

圖4　采集地面點高程點數據圖

圖5　利用地面關鍵點生成等高線

利用Terra Scan提取分類后的激光點云中地面點中等高線的關鍵點，導出其三維坐標數據，再使用Terra Model內的Display contours工具，利用提取出的等高線關鍵點生成 1 m等高距的等高線，如圖4、圖5所示。

(2)無人機航攝影像

根據項目設計中對像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線彎曲度、航高、影像質量等的各項技術指標進行設計，采用AXUAV-2無人機、飛思IXU180相機對北侖測區進行航攝，共獲取數碼航空影像 10 524張，影像地面分辨率 4 cm，具體有以下內容。

①像控點測量

像控測量采用NBCORS進行測量，按照一級圖根點精度進行測量，全部布設成平高點。由于測區范圍內有部分山地，為保證像控點分布均勻，且在區域四周及拐點都布有控制點，本項目提前在測區范圍內特征點不明顯的區域布設像標點。采用獨立觀測兩測回方法，共測得像控點385個，其中像標88個，測回間平面坐標互差最大為 3.6 cm，高程互差最大為 5.6 cm，滿足本項目像控點精度要求。項目航線重疊度高，采用差分GPS聯合平差，像控點布設時每隔6條航帶，8條基線布設一個，個別區域找不到特征點的就近補測像控點，如圖6所示。

圖6　像控點布設及分區

②空中三角測量

利用Smart3D和INPHO軟件進行空中三角測量，采用全自動密集匹配的方式進行，項目分為9塊區域進行空中三角測量處理，其中區塊1、2、5、8、9區塊采用inpho進行處理，區塊3、4、6、7采用Smart3D進行處理，區塊之間至少保證一條航帶的重疊度。

從空三數據結果得出，項目各區域網基本定向點平面較差最大為 9.4 cm，滿足基本定向點殘差中誤差小于等于 13 cm的規范要求；檢查點平面較差最大 20.4 cm，滿足檢查點誤差中誤差小于等于 22 cm的規范要求；同名點較差大部分在 10 cm以下，最大較差 32.2 cm，滿足公共點較差中誤差小于等于 35 cm的規范要求。

③正射影像制作

根據空三處理結果，分別利用INPHO和Smart3D軟件進行正射影像生成，在軟件中對影像進行勻光勻色和影像拼接后分幅輸出，輸出的成果影像套合原始地形圖檢查后，形成最終的正射影像成果。

(3)地形數據采集、調繪與編輯

首先利用提交的全野外數字化和基于航空攝影的遙感測圖獲得的地形圖數據依照各自范圍，對居民建筑區和航測區域交界的區域對地形要素進行物理性、邏輯性接邊，保證地形數據的無縫連接。其次遵循 1∶500地形圖成圖的原則要求進行成圖、整飾。過程檢查貫穿整個項目過程，如圖7為地形數據成果。

圖7　航測地形數據成果

3.3　地形圖數據接邊、成圖與驗收

首先利用提交的全野外數字化和基于航空攝影的遙感測圖獲得的地形圖數據依照各自范圍，在居民建筑區和航測區域交界的區域對地形要素進行物理性、邏輯性接邊，保證地形數據的無縫連接。其次遵循 1∶500地形圖成圖的原則要求進行成圖、整飾。過程檢查貫穿整個項目過程，最終檢查于2016年12月20日提交并通過檢查驗收。

4　項目特色

通過對北侖區測區采用全野外數字化法和基于航空攝影的遙感法，進行地形圖測繪并最終成圖，利用傳統與新型測繪技術相結合的方式，在保證精度的情況下大大地提高了地形圖測繪的效率。與以往同類項目相比，本項目呈現出了新的項目創新點，主要有以下四方面。

4.1　航攝影像測繪三類地物

將以前全野外作業方式測繪三類地物轉為基于航攝影像的遙感測圖，大量降低了外業工作量，將部分外業工作轉至內業工作，改善了作業的工作環境，提高了工作效率。項目首次對 1∶500大比例尺地形圖進行“天地空一體化”測圖，采集的地形數據平面精度優于 15 cm，高程精度優于 10 cm，滿足了相應的精度要求。項目運用無人機航攝高精度影像進行三類地物測繪，三類地物測繪面積約占測區的40%且作業高效，同時無人機獲取高精度影像快速、現實性強和成本相對較低等特點，大大推進了項目的進度。

4.2　激光點云采集高程及等高線

經過十幾年的發展，三維激光掃描技術目前已經廣泛應用于多個領域，在測繪領域的應用也成為一種趨勢。國內將三維激光掃描技術應用于大比例尺地形測量的案例多為研究性應用。本項目將三維激光掃描獲得的地面點云數據作為 1∶500地形圖的高程數據來源并基于此生成等高線，將三維激光掃描在地形測圖上由研究性轉換為實際工程性應用，創新性地將新的激光點云技術與傳統地形圖測繪結合起來，擴展了三維激光掃描的應用，提高了地形圖測繪的效率。

4.3　激光點云與遙感影像的高精度異源數據融合技術

三維激光掃描儀用于高程及等高線采集的一個關鍵步驟就是點云與遙感影像的高精度配準，但相關研究則鮮有進展。由于激光點云和遙感影像在數據表現形式和屬性上均有很大差異，因此傳統的配準方法并不能完全適用于這兩類數據的配準。針對上述問題，項目利用POS數據和各個傳感器間的相對空間位置關系建立點云與單張面陣CCD影像間的對應關系，然后根據全景影像與單張面陣CCD影像間的映射關系，從而實現激光點云與遙感影像的高精度配準。

5　結　語

隨著城市發展的需求，傳統的地形圖測繪技術由于更新速度慢，已不能滿足目前經濟、社會發展對數字地形圖及數字產品的需求。因此，我們應不斷探索解決地形圖更新慢、周期長的問題，保障城市的經濟建設。本文在 1∶500數字化測圖中，結合無人機航攝和激光點云等技術，將大量外業工作轉移至內業測圖，創新性地提出了基于地空一體化的 1∶500地圖測繪并應用于實際項目。該方法在精度、進度、操作等方面都有較大的優勢，必將全面應用于大比例尺測圖。