多技術融合的城市基本比例尺地形圖更新及應用研究

張苗亞，趙艷福，許建宣

(1.寧波市測繪和遙感技術研究院，浙江 寧波 315000； 2.寧波市阿拉圖數字科技有限公司，浙江 寧波 315000)

1 引 言

基礎測繪是國民經濟和社會發展不可或缺的基礎性和先進性工作。城市基本比例尺地形圖作為基礎測繪工作的重要組成部分，是開展國土空間規劃編制、城鄉建設管理和自然資源管理等的基礎地理信息資料[1]。隨著經濟和社會的高速發展，各級政府部門、社會公眾對城市基本比例尺地形圖的需求日趨旺盛，并對相關數據的可靠性、現勢性和全面性等方面提出了更高的要求，傳統基礎測繪中地形圖制圖技術與更新模式的短板日益突出，加快“圖庫分離”向“圖庫一體、以庫出圖”的轉變、構建多技術融合的城市基本比例尺地形圖更新流程和模式是測繪改革創新發展的必然要求[2]。

目前，城市基本比例尺地形圖更新主要存在的問題包括：①地形圖變化發現自動化程度不高；基于高空間分辨率遙感影像的變化發現與獲取技術受影像中建筑物陰影和云霧遮擋等的影響，對于地形圖中部分點狀地物和線狀地物的微小變化難以識別[3]，并且在變化檢測過程中存在繁重的人工勞動，變化發現的自動化程度不高。②制圖資料與建庫數據的一體化程度不高：傳統的基本比例尺地形圖以滿足紙質出圖為主，數據生產中存在“圖庫分離”“圖屬分離”等問題，數據的對象化和整體化程度較低[4，5]；③多源新型信息技術耦合度不高：隨著各種新型傳感器及測繪科技的不斷發展和進步，測繪科學已由數字化測繪發展到信息化測繪[6]。如何整合多源信息技術對數據進行快速有效的動態更新，是提高地形圖測繪質量和效率水平亟須解決的重要問題之一。

2 多技術融合的城市基本比例尺地形圖更新方法

2.1 地形圖變化范圍的發現

隨著遙感影像獲取技術和空間數據處理技術的發展，利用高空間分辨率衛星遙感影像獲取地物變化情況的技術也日趨成熟[7]。高分辨率遙感影像具有獲取周期短、數據覆蓋面積廣和地物信息豐富等特點，可實現對局部區域的地形或地表地物變化的快速發現[8]。目前，常用的利用遙感影像進行變化檢測的方法包括基于地形圖矢量數據、遙感影像的疊加判斷分析和基于前后兩期遙感影像的變化檢測等[9]。

2.2 利用竣工測量成果的地形圖縮編更新

城市建設工程竣工測量通常包括建筑物竣工測量、市政道路竣工測量和地下管線竣工測量三部分內容[10]。竣工測量的相關數據成果具有較好的數學精度和一定的現勢性，與城市大比例尺地形圖相比也具有更加豐富的屬性信息，可為城市基本比例尺地形圖的生產和更新提供相應的支持，是地形圖進行更新的重要數據源之一[11]。

利用竣工測量成果更新城市基本比例尺地形圖數據的基本流程包括：數據更新內容確定、更新空間范圍確定、數學基礎轉換、數據結構統一、地圖編繪/制圖綜合、數據層更新/局部更新、數據接邊和質量檢查等。

2.3 基于航空攝影測量的地形圖更新

航空攝影測量技術是集無人機(UVA)、實時動態定位和圖像融合為一體的現代化測繪技術[12]，與傳統的測繪數據采集技術相比，航空攝影測量技術具有低成本、高效率和高精度等優勢，已在大比例尺地形圖、自然資源調查和地質災害應急測量等領域發揮了重要的作用[13]，特別是在大范圍的地形圖更新中，航空攝影測量技術的應用優勢更加顯著。

基于航空攝影測量的城市基本比例尺地形圖更新基本流程包括：資料收集與航線布設、航攝實施與影像處理、像控布點與測量、空三加密與立體恢復、線劃圖采集與屬性判讀、外業調繪與精度評價等。

2.4 基于傾斜三維模型的地形圖更新

傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一種新型測繪技術。該技術是通過無人機搭載的不同方位傳感器同步采集具有一定重疊度的影像，結合像控點及POS/GPS等數據，利用多視影像匹配和平差算法自動生成具有測繪級精度傾斜三維模型的方法[14]。基于傾斜三維模型的地物特征數據內業采集，不僅能夠準確獲取大部分地物的屬性信息，并且能夠直接在三維模型上精確地提取高程點信息，可有效避免傳統航空攝影測量技術中所需的大量外業調繪工作以及豐富的數據采集經驗等缺點，能夠大幅度提高測繪工作的效率[15]。

基于傾斜三維模型的城市基本比例尺地形圖更新的主要技術流程包括：航攝準備工作、像控點布設與量測、航線布設與多視角影像采集、實景三維建模及模型修飾、三維立體測圖、外業補測、精度評定等。

3 實踐應用

3.1 項目概況

為進一步提升寧波市基礎地理信息資源服務能力，滿足自然資源規劃統籌管理和社會各界對基本比例尺地形圖的使用需求，寧波市測繪和遙感技術研究院(以下簡稱“寧波院”)在寧波市自然資源和規劃局的組織領導下完成了2019年寧波全市 1∶2 000地形圖整合與更新工作。該項目主要包括全市 1∶2 000基礎地理信息數據整合、市規劃區數據更新以及數據成果的標準轉換等內容。

針對已有資料收集情況和全市地形圖現勢性不同的特點，寧波院制定了城市基本比例尺地形圖更新工作方案，采用多技術融合的更新模式，完成了項目要求的全部內容。其中，利用傾斜實景三維模型完成了全市中心城區重大建設工程的3D裸眼測圖與更新；利用航空攝影測量技術完成了市規劃區的內外業一體化數字測圖與更新；對于已收集到相關竣工測量成果的更新區域，則采用竣工縮編的方式完成了地形圖數據的更新。

此外，本項目利用自主研發的多級比例尺地形圖采編處理系統實現了航攝立體采集、傾斜模型測圖及修編一體化的更新作業模式，改變了傳統工藝中制圖與數據庫分開建設與管理的模式，真正實現了“圖庫一體、以庫出圖”的目標。綜合利用多技術進行大比例尺地形圖綜合更新方法的技術流程如圖1所示。

圖1 1∶2000比例尺基礎地理信息資源生產工藝流程圖

3.2 作業情況

(1)基于遙感影像的地形圖變化發現

項目利用航攝影像、DOM成果、1∶2000地形圖等已有基礎資料，通過遙感影像變化檢測系統，對不同期航攝影像進行對比，自動提取變化范圍圖斑。該系統采用Microsoft.NET.Framework框架，結合OpenCV計算機視覺庫以及ArcGIS Engine接口，通過配合遙感處理軟件ENVI/IDL完成遙感影像變化位置發現提取。遙感影像變化檢測系統的具體界面如圖2所示。

圖2 遙感影像變化檢測系統界面

(2)利用竣工測量成果的地形圖縮編更新

項目采用寧波院自主研發的多級比例尺地形圖采編處理系統的自動縮編模塊完成利用竣工測量成果的地形圖更新工作，該系統是集采編成圖、數據入庫、產品制作和質量檢查為一體的地理空間數據處理平臺。基于多級比例尺地形圖采編處理系統的縮編作業流程包括數據轉換與導入、程序自動縮編、人工綜合編繪、數據質量檢查等。整個縮編過程采用人工和自動化相結合的方式，有效減少了數據整理和人工處理的工作量，在保證數據成果質量的同時也提高了縮編的工作效率。程序自動縮編和數據檢查項規則集如圖3所示。

圖3 程序自動縮編和數據檢查項示意圖

(3)基于航空攝影測量的地形圖更新

項目采用多級比例尺地形圖采編處理系統的航測采集模塊完成數據內業測圖等工作。基于航空攝影測量的地形圖更新支持各種測圖模式下地物和屬性的同步采集，獲取的數據既具有點、線、面等完整的拓撲結構，又能滿足地圖符號化、地理分析功能及數據庫查詢和統計分析等操作，實現了地形圖數據的圖庫一體化和采編一體化。航測內業測圖軟件環境如圖4所示。

圖4 立體采集作業

(4)基于傾斜三維模型的地形圖更新

項目利用Context Capture軟件生成實景三維模型成果，并采用多級比例尺地形圖采編處理系統的3D測圖模塊完成內業地形圖數據的采集。基于傾斜三維模型的地形圖更新，不僅在符合人眼視覺感受的模型下開展測圖工作，還解決了航測立體采集中的房屋層數、屋檐改正等問題，在保障數據精度的同時極大提高了測圖的工作效率，大幅度減少了作業人員外業調繪的工作量。此外，基于傾斜實景三維模型的數據建設仍為多級比例尺地形圖采編處理系統，無須跨平臺即可完成圖庫一體數據建設。基于實景三維模型的數據采集界面如圖5所示。

圖5 基于實景三維模型的數據采集界面

(5)地形圖標準轉換

按照浙江省《浙自然資發[2019]13號浙江省1∶2 000比例尺基礎地理信息資源更新工作技術方案》要求，項目實現了地形圖地物要素表達標準由寧波市標準向浙江省標準的半自動轉換。其中，標準轉換共涉及市標989個地物要素細類，7種標準轉換類型(完全對應、拆分表示、合并表示、幾何變更、省標新增要素處理、市標擴充要素處理以及注記轉換等)。標準轉換工作以不影響出圖效果，全面保留地標地物要素為前提，通過計算機程序自動化轉換為主、人工編輯為輔的方式完成了數據標準轉換工作。地形圖數據標準轉換工具箱界面如圖6所示。

圖6 地形圖標準轉換工具箱

3.3 精度檢驗及分析

項目的質量檢查以更新面積折算的標準圖幅數量為批量，按照GB/T 18316-2008和GB/T 24356-2009檢驗規范要求的樣本量確定抽樣樣本圖幅，采用內外業相結合的檢查方法對產品成果進行檢查。經統計，總面積 312.5 km2的更新實測區域(涉及圖幅數量 1 635幅)共抽取樣本圖幅46幅。其中，平面位置檢測點數 1 240個，平面位置中誤差為 37.9 cm，高程檢測點數 1 150個，平面位置中誤差為 16.3 cm，數據成果的平面和高程精度均符合項目設計及相關規范要求。

4 結 語

本文在分析目前城市基本比例尺地形圖更新存在問題的基礎上，歸納總結了城市基本比例尺地形圖更新的主要技術手段及基本工作流程，并以寧波市 1∶2000基礎地理信息數據整合項目的應用為例，簡要闡述了多源技術融合的相關做法和數據成果質量評定方式方法。研究結果表明，多源技術融合的城市基本比例尺地形圖更新方式能夠滿足 1∶2 000地形圖數據規范要求，該模式能夠有效減少外業工作量，縮短項目生產周期，提高工作效率，對其他城市基本比例尺地形圖的更新具有一定的借鑒意義。