基于南方CASS3D大比例尺數(shù)字線劃圖的成圖方法探討

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020）

數(shù)字線劃圖（DLG）作為數(shù)字測(cè)圖最為常見的成果之一，其成圖方式主要包括以下幾種，一是以VirTuo-Zo（適普軟件）[1]和JX-4軟件[2]為代表的三維立體測(cè)圖，二是借助GIS或者CAD等成圖軟件對(duì)現(xiàn)有地形圖的掃描矢量化，三是野外實(shí)測(cè)成圖，但上述成圖方式往往存在對(duì)專業(yè)技術(shù)要求高，硬件配置繁雜，數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程繁瑣，精度相對(duì)較低等諸多問題。相較于前者，近些年，出現(xiàn)了大量的基于航測(cè)成果的三維裸眼測(cè)圖軟件，比較有代表性的EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)[3]、SV360智能三維測(cè)圖系統(tǒng)[4]、MapMatrix3D圖陣三維智能測(cè)圖系統(tǒng)[5]，此類測(cè)圖軟件具有三維可視化、二三維同步、裸眼測(cè)圖等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于此類軟件價(jià)錢較為昂貴，且市場(chǎng)普及率較低等因素往往不被眾人所接受。為了解決之一問題，南方測(cè)繪推出了CASS3D測(cè)圖系統(tǒng)[6]。CASS3D測(cè)圖系統(tǒng)是在原有CASS測(cè)圖軟件基礎(chǔ)上，以插件擴(kuò)展的形式，新增的三維測(cè)圖工具，除了具有三維可視化、二三維同步、裸眼測(cè)圖等優(yōu)勢(shì)外，完全繼承了CASS測(cè)圖軟件原有的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了快速高精度成圖、提高了作業(yè)效率，降低了生產(chǎn)成本。

1 項(xiàng)目概況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

本次生產(chǎn)案例是以甘肅省成縣廠壩鉛鋅礦采礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理工程為背景，結(jié)合南方CASS3D數(shù)字成圖軟件，采取航空攝影數(shù)字線劃方式[7]生產(chǎn)礦區(qū)地形圖，具體參數(shù)要求為：對(duì)礦區(qū)2.9km2裸露地表區(qū)域進(jìn)行快速地形圖測(cè)繪，同時(shí)提供分辨率為10㎝的高清影像。礦區(qū)位于甘肅隴東南地區(qū)，秦嶺山脈，地質(zhì)結(jié)構(gòu)充分發(fā)育，氣候適宜，交通便利，便于航測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)獲取。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

圖2 測(cè)區(qū)航線示意圖

無人機(jī)選擇深圳飛馬D2000四旋翼無人機(jī)如圖1所示，續(xù)航時(shí)間可達(dá)70分鐘。平臺(tái)搭載了2430萬像素的D-CAM2000航測(cè)模塊，傳感器尺寸為23.5x15.6（aps-c）mm，25mm定焦，感光度最高可達(dá)ISO 25600，符合航空攝影平臺(tái)規(guī)范要求，地面控制站選用飛馬無人機(jī)管家，地面電臺(tái)可控制無人機(jī)按設(shè)計(jì)航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)平臺(tái)自帶實(shí)時(shí)差分模塊，可通過網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)獲取高精度POS數(shù)據(jù)，具備大比例尺免像控成圖條件。

2 無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

結(jié)合礦區(qū)地形特點(diǎn)和飛機(jī)性能，將礦區(qū)劃分為1個(gè)測(cè)區(qū)，如圖2所示測(cè)區(qū)航線示意圖，共飛行1個(gè)架次。具體參數(shù)為：航向重疊度為80%，旁向重疊度為62%，航線間距240m，相對(duì)航高628m，海拔最高點(diǎn)GSD為5.0cm/像素，海拔最低點(diǎn)GSD為11.5cm/像素。同時(shí)，為了確保成果質(zhì)量和檢核方案可行性，按照相關(guān)航測(cè)規(guī)范要求，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)采集少量像控點(diǎn)和若干檢核點(diǎn)，像控點(diǎn)和檢核點(diǎn)遠(yuǎn)離高層建筑和植被覆蓋區(qū)，且均勻分布。

3 航空攝影內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

首先采用無人機(jī)管家對(duì)原始影像進(jìn)行畸變矯正（飛馬無人機(jī)針對(duì)每個(gè)相機(jī)都進(jìn)行畸變參數(shù)測(cè)定，可大大提高影像質(zhì)量）和POS數(shù)據(jù)高精度融合解算，然后利用PIX4D軟件快速生成測(cè)區(qū)數(shù)字地表模型（DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），同時(shí)生成三維模型文件（格式為：＊.osjb,＊.obj＊.xml＊.s3c），也可以利用無人機(jī)管家生成數(shù)字地表模型和數(shù)字真正射影像圖，再利用CASS3D構(gòu)建3D模型（格式為：＊.osjb）。需要注意的是，在生成模型數(shù)據(jù)的時(shí)候，紋理清晰度級(jí)別越高，對(duì)應(yīng)精細(xì)度選擇越高，則模型越清晰，當(dāng)然，模型清晰度應(yīng)該等于或者低于紋理清晰度。本文將以此成果作為數(shù)字線劃圖生產(chǎn)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

4 CASS3D地形圖生產(chǎn)方案

南方CASS軟件作為一款內(nèi)外業(yè)一體化測(cè)圖系統(tǒng)，其主要包括數(shù)據(jù)處理、地形地物編輯、地籍處理、土地利用、工程測(cè)量及質(zhì)檢模塊等功能。CASS3D作為南方CASS軟件的延伸，重點(diǎn)增加了三維裸眼測(cè)圖、高清影像、三維模型加載以及二三維同步功能。下面就在傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量成果的基礎(chǔ)上，利用CASS3D最新的功能實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)。

（1）地形數(shù)據(jù)采集與編輯。以最新的南方CASS10.1為平臺(tái)，通過工具條OPEN3D或者命令窗口輸入DSMLOAD，加載CASS3D三維窗口，加載傾斜模型，也可利用工具欄中“生成DSM功能”，加載正攝影像圖和數(shù)字高程模型生成垂直三維模型數(shù)據(jù)索引文件（格式為＊.osjb），加載該文件，打開三維模型，如圖3所示。CASS3D的地形數(shù)據(jù)采集模式分為二維繪圖模式和三維繪圖模式，可通過工具條上的二三維模式切換鍵進(jìn)行切換和聯(lián)動(dòng)，二維模式與CASS平臺(tái)繪制一致，主要針對(duì)貼近于地面的道路、水系、地貌土質(zhì)和植被境界線等，三維模式主要針對(duì)存在高差居民地和獨(dú)立地物等。需要注意的是，三維模式下，繪制地物的快捷鍵有部分差異。比如，房屋采集中，W鍵代表直角繪圖，兩點(diǎn)確定一邊后，按照直角進(jìn)入下一邊線邊點(diǎn)采集；S鍵代表重定向，兩點(diǎn)確定一邊，通過交會(huì)方式獲取房角點(diǎn)，主要針對(duì)不規(guī)則房屋；D鍵代表直接捕捉拐點(diǎn)等。

（2）高程及等高線數(shù)據(jù)獲取。CASS3D高程數(shù)據(jù)的獲取是通過數(shù)字高程模型（DEM）提取高程值[8]的方法，即利用三維窗口工具條中的閉合區(qū)域提取高程點(diǎn)和線上提取高程點(diǎn)功能，針對(duì)地形地貌簡(jiǎn)單區(qū)域，采取閉合區(qū)域按照設(shè)置參數(shù)批量提取高程點(diǎn)，針對(duì)地形地貌復(fù)雜且植被覆蓋區(qū)域，比如：坎上坎下、房角點(diǎn)、樹木等，采取手動(dòng)線上提取高程點(diǎn)，首先沿地表劃線，然后提取要素特征點(diǎn)和高程點(diǎn)信息。

等高線的獲取，可以分為兩種情況，針對(duì)地形地貌簡(jiǎn)單且無植被、居民地等覆蓋區(qū)域，直接利用“自動(dòng)提取閉合范圍內(nèi)的等高線”功能，選擇閉合范圍線或輸入快捷鍵D，在三維窗口中繪制一個(gè)閉合范圍，設(shè)置對(duì)應(yīng)等高距等參數(shù)，批量提取等高線，如圖3所示批量提取高程點(diǎn)和等高線；針對(duì)地形地貌復(fù)雜且植被覆蓋區(qū)域，則利用手動(dòng)提取的高程點(diǎn)，構(gòu)建TIN，進(jìn)一步生成等高線。

圖3 高程點(diǎn)及等高線

圖4 CASS局部地形圖成果

（3）地形圖成圖編輯。將獲取的地形地貌要素進(jìn)行綜合、整飾等處理，得到滿足要求的DWG格式的地形圖成果。當(dāng)然，針對(duì)大比例尺地形圖中房屋等規(guī)則地物，也可采取智能采集功能，具體步驟為：①左鍵雙擊單個(gè)房屋墻面啟用智能繪房；②調(diào)整采集切面至最佳位置；③右鍵提交采集數(shù)據(jù)。而小比例尺地形圖中，可直接加載高清正攝影像圖或者將三維模型調(diào)整到俯視狀態(tài)下，按照輪廓進(jìn)行房屋等規(guī)則地物采集。如圖4所示CASS局部地形圖成果。

5 數(shù)字線劃圖精度分析

為了驗(yàn)證CASS3D成圖方案的精度，在數(shù)字線劃圖上提取10個(gè)檢核點(diǎn)并在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中實(shí)測(cè)，計(jì)算得到檢核點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差。分別進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析，成圖精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

數(shù)字線劃圖的精度參照《1:500 1:1000 1:2000外業(yè)數(shù)字測(cè)圖規(guī)程》（GBT 14912-2017）和《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1:500 1:1000 1:2000數(shù)字線劃圖》（CH/T 9008.1-2010）的要求，1:2000平面位置精度為1.2m（城鎮(zhèn)、工業(yè)建筑區(qū)、平地、丘陵地，坡度＜6），高程注記點(diǎn)高程中誤差為0.5m（丘陵地，2°≤坡度＜6°）。通過表1進(jìn)一步計(jì)算得到檢核點(diǎn)的平面中誤差為0.053m，高程中誤差為0.060m，完全滿足限差要求。

表1 CASS3D成圖方案的成圖精度統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)束語

本文通過案例實(shí)踐分析表明，利用南方CASS3D軟件可進(jìn)行大比例尺數(shù)字線劃圖（DLG）成圖，特別是三維測(cè)圖工具，除了具有三維可視化、二三維同步、裸眼測(cè)圖、高程、等高線自動(dòng)提取等優(yōu)勢(shì)外，還針對(duì)傾斜攝影成果的矢量化提供了快捷鍵和智能繪圖等功能，大大提高了復(fù)雜地物的成圖效率。同時(shí)，南方CASS3D軟件完全繼承了CASS測(cè)圖軟件原有的各項(xiàng)功能，簡(jiǎn)化了操作，實(shí)現(xiàn)了快速高精度成圖，提高了作業(yè)效率，降低了生產(chǎn)成本，易普及。