基于新型基礎測繪技術的質量控制實踐

顧婷

（上海市測繪院，上海200063）

1 概述

基礎測繪為經濟建設、國防建設和社會發展提供了基礎性、公益性、保障性地理信息服務工作[1]。隨著黨的十九大以來，“一帶一路”、長江經濟帶、京津冀協同發展戰略的深入實施，社會各界對測繪工作提升社會的保障服務能力提出了更高要求，構建新型基礎測繪體系的要求愈發迫切。科學技術的發展，尤其是工業互聯網技術交叉融合發展人工智能、大數據和物聯網技術為構建新型基礎測繪體系提供了技術助力和先決條件[2]。

自2017 年11 月以來，上海被國家測繪地理信息局批準為新型基礎測繪體系建設試點城市以來，積極響應國家提出“加快發展基礎測繪，形成新型基礎測繪體系”的號召[3]，開啟了新型基礎測繪體系的探路之旅；2019 年4 月12 日，上海市新型基礎測繪試點項目設計評審會通過了由自然資源部國土測繪司組織的院士專家組評審，2019 年下半年，選取上海市浦東新區張江28 平方公里開始了新型基礎測繪技術的地形圖生產實踐。不同于傳統測繪，新型基礎測繪面向新時代新的應用需求，采用傾斜攝影測量、激光雷達掃描等新型測繪技術進行數據的采集和處理[4]。其中，質量控制體系是關乎新型基礎測繪工作能否推進的核心問題。本文以張江28 平方公里新型基礎測繪技術的生產實踐為例，著重探討采用新型基礎測繪技術的質量控制手段、方法和效果。

2 新型基礎測繪技術的質量控制

新型基礎測繪技術主要包括傾斜攝影測量技術和三維激光掃描技術，其中傾斜攝影測量技術通過在飛行平臺上搭載影像傳感器，同時從垂直、傾斜等多角度同步采集影像，獲取地理實體三維信息和高分辨率紋理信息。激光掃描技術是將激光雷達(Lidar)、GNSS 接收機、慣性測量系統(INS)、全景相機以及控制系統等搭載在運動平臺上，通過對物體的掃描記錄目標的位置和反射強度等信息，獲取地理實體的三維數據的空間信息技術[5]。

2.1 傾斜攝影測量的質量控制

傾斜攝影測量的主要誤差來源于數據采集和處理過程。為了保障Mesh 模型的質量，需要對各類誤差源進行質量控制和優化。通過外業密集布設高精度的像控點可以提升傾斜數據的精度，像控點精度等級越高，間距越小，生產的mesh 模型精度越高。一般而言，對于建筑密集區域，像控點間距不應低于250 米，建筑密度較低的區域可以放寬至500 米。

2.2 三維激光掃描的質量控制

三維激光掃描技術利用多傳感器組合技術，誤差來源復雜，傳感器自身以及相互組合都包含眾多誤差源，此外掃描精度還和被觀測對象的特性相關。一般來說，誤差來源包括四個主要因素，即GNSS/INS 組合的定位誤差、慣性測量系統的定姿誤差、激光雷達掃描誤差、多傳感器組合的集成誤差[6]。

定位誤差和定姿誤差與GNSS 和慣性測量系統的定位、定姿性能相關，掃描誤差則與激光雷達系統測距、測角精度等性能相關。多傳感器組合的集成誤差主要來源多傳感器間的空間基準統一誤差，包括GNSS 和INS 的偏心距以及INS 和LIDAR 的偏心距和偏心角，通過對傳感器組合標定的方式可以減弱該誤差。

以張江28 平方公里地形圖采集使用的多傳感器組合為例，GNSS/INS 組合定位的水平方向標稱精度為1cm，垂直方向標稱精度約為2cm。車載瞬時掃描角當載體處于理想姿態時，多傳感器組合的集成誤差（平面、高程）約為2cm。當GNSS 信號變差，平面和高程精度會降低，短時間的失鎖，通過引入外部控制點來進行精度改善。

2.3 精度要求

不同于傳統的地形測繪，新型基礎測繪技術體系下實體采集精度以“需求導向，不同實體不同精度”為目標，依據實體類別不同，將平面和高程分為三級精度。

表1 地形數據平面精度要求

3 工程實例

3.1 測區范圍

選取了浦東新區的張江核心區域作為此次項目范圍，張江位于上海浦東新區中南部，素有中國硅谷美譽，是中國國家級高新技術園區。項目共計28.3 平方公里，范圍北至龍東大道，南至華夏高架路，西至羅山高架路，東至外環高速路。

3.2 數據源質量改善

張江28 平方公里數據采集分為兩部分。利用多平臺激光掃描、傾斜攝影、綜合調繪等技術手段對測區進行全要素測繪。一是將測區28 平方公里進行區塊劃分，利用直升機搭載傾斜相機飛行7 個架次完成測區傾斜數據的采集，二是對28 平方公里的的道路搭載車載激光掃描雷達，對測區120 公里的道路進行全掃描，掃描軌跡總長度為392.04 公里，共計33 車次。

獲取到車載激光掃描數據和傾斜模型數據之后，要對數據的質量進行改善。數據質量改善主要包括點云數據噪聲濾除、空間基準轉換以及多源數據融合等。主要是針對車載點云數據、傾斜影像數據存在平面、高程精度較低的問題，利用第三方數據源包括平面、高程控制點提升其空間位置精度。數據采集完成之后，遵循均勻布設糾正點，全局控制的要求，采用間隔200 米布設控制點的方式，以此來提升車載激光掃描數據的點位精度；若質量提升后的的車載點云精度不滿足要求，則加密糾正點。布設1659 控制點，選取其中550 驗證點，驗證mesh 模型和點云的精度。

對數據糾正之后，采用控制點驗證數據精度，發現點云精度好于mesh 模型精度，點云平面中誤差為3.46cm，高程上中誤差為1.98cm；mesh 模型平面和高程中誤差均都不超過4 公分，數據源精度良好，滿足生產要求，可以將數據應用于后續地形圖生產工作。

表2 經改善后數據源精度統計

3.3 全要素地形圖生產

在數據處理之后，通過先內后外的作業模式的方式進行數據生產，即先利用點云和傾斜數據進行內業測圖，再綜合測圖成果進行調繪，最后進行數據編輯。必要時，在數據編輯后進行補調。全要素地形圖生產流程如圖1 所示。

圖1 全要素地形圖生產流程

3.4 成果精度檢驗

在地形圖生產完成之后，采用外業布設高等級控制點對28平方公里的地形圖進行精度驗證，外業檢測各類要素幾何精度均符合項目所規定的精度要求，數據成果精度滿足表1 規定的精度要求。

表3 地形成果精度驗證

4 結論

新技術手段三維激光掃描系統和傾斜攝影測量的應用大大提高了測繪工作的效率，但依托新技術手段產生成果質量直接關系到測繪成果的可靠性。本文以上海市浦東新區張江核心區28 平方公里地形圖更新項目為例，探討了新型基礎測繪體系質量控制的手段，并利用外業實測控制點的方式對地形成果進行驗證，結果表明，利用三維激光點云和傾斜模型的新型基礎測繪技術在一定程度上提高了全要素地形圖的生產效率，在對數據源質量進行嚴格控制的基礎上，成果質量可控，精度良好，適宜大范圍的推廣。