基于傾斜攝影測量的溶丘洼地高原區地形圖測繪應用研究

王小東

(三贏土地房地產評估咨詢股份有限公司 海南?？?570100)

在一系列的高原地區的地形測量中，由于氣候復雜、海拔高、地理環境復雜，翻山越嶺、背扛監測設備、日夜蹲守勘測的傳統測量方式明顯無法適應現階段地形測量工作的實際需求，因此造成了諸如地籍檔案簡略、地理數據粗糙、人員素質低下等頑疾[1]。所以，采用基于傾斜攝影測量技術的低空無人機航測系統來獲取、更新地形圖及地理信息數據已經取代了純人工采集測量數據，成為目前地形測繪的主要技術手段[2]。傾斜攝影測量技術是近年來隨著航空攝影技術的進步與創新應運而生的一項高新技術。通過在飛行平臺上搭載先進的傳感器，在低空從傾斜、垂直等不同角度對地面進行攝影測量，從而獲取較為完整精確的地面高分辨率航測影像信息[3]。該文基于傾斜攝影測量技術，采用EPS三維測圖系統采集項目區地形數據，最終形成1∶500數字地形圖。

EPS三維測圖系統是EPS地理信息工作站研發的多源多模一體化采編系統。系統提供基于立體像對、正射影像、全景影像、實景三維模型、點云等數據的二三維一體化高效采編工具，直接對接基礎地形測繪、三維不動產測量、自然資源調查等專業應用[4]。通過三維測圖系統測得的數字地形圖精度可達到厘米級，地形圖的高程精度甚至可以接近平面坐標精度水平[5]。

該文主要結合貴州甕安經濟開發區青坑基礎化工區1∶500 地形圖測量項目，采用無人機傾斜攝影測量重點完成甕安經濟開發區青坑基礎化工區1∶500地形圖航測工作以及像片調繪工作。

1 項目概況

根據國家相關要求，需要重新開展融合土地利用規劃和城鄉規劃的國土空間規劃的編制工作，縣級國土空間規劃是國土空間規劃的重要組成部分，是落實國家、省級、市級空間規劃的關鍵環節和主要載體，兼具保護和發展的屬性。對政府，縣級國土空間規劃應是統一行使所有國土空間用途管制的法定依據；對于市場，縣級國土空間規劃是協調保護和發展的公共政策，是全域國土空間開發和保護的總監圖，為市場提供明確指引；現行總規逐漸無法適應當前的發展需求。結合甕安經濟開發區青坑基礎化工區的實際情況，該項目測量范圍包含青坑基礎化工區（約11 km2）所有地形地貌情況，為接下來的甕安經濟開發區控制性詳細規劃提供1∶500基礎地形資料奠定基礎。

1.1 任務區概況

項目區地處云貴高原第二階梯，位于烏江中游，烏江橫貫北部，黔中北腹地，屬黔中北部溶丘洼地高原區，中部平緩、地勢東南高、西北低，最低點海拔479 m，最高處海拔1 567 m，平均海拔1 028 m，區內地貌復雜多樣。

1.2 像控點布設

像控點的布設與點位的選擇應保證其在內業刺點中影像清晰且易于辨別，為空三加密過程中的相片刺點提供便利，像控點常選取在地面標志的角點、明顯地物的拐點、建（構）筑物的角點等或直接選取較小的影像中顯示為點狀要素的地物中心[6]。在空三加密中，像控點分為高程點、平面點、平高點、高程檢查點等。該項目主要以平高點為主，采取區域網布設方案。區域網的大小和像控點之間的跨度以能滿足空中三角測量精度要求為原則。此次像控點具體布設方案為：在區域網最后一條航線垂直于航線方向和第一條航線且間隔一條航線上分別布設一排平高控制點，各條航線之間每隔5 條基線就布設平高控制點，并在區域網不規則處適當增加平高控制點。

2 作業方法及流程

無人機低空航攝技術主要包括準備工作、外業航攝及像控點測量、內業成圖和外業調繪這5個階段，具體如下。（1）準備工作：收集資料、現場踏勘、分析資料、技術設計；（2）像控點測量：像控點布設、像控點測量、資料整理；（3）航空攝影；（4）內業成圖：影響畸變改正、空三加密、立體測圖、內業粗編；（5）外業調繪：地物補測、屬性調查、地名調繪、最后內業編輯。

2.1 像控點測量

像控點測量采用基于千尋網絡RTK 測量方法進行施測，每個像控點在架設三腳架對中基礎上均測量10 次，并通過測量手簿自帶工具進行坐標平差，最終得到較為精準的像控點坐標。

2.2 航空攝影

此次航攝作業采用飛控平臺自帶的開源高分辨率地球影像作為航線設計用圖，航攝高度設計以公開的全球30 m 精度DEM 作為依據。根據無人機航空攝影測量規范，綜合任務區的地形地貌條件、考慮基高比、測圖精度及等高距，結合成本、效率、效果等因素，確定此次航攝地面分辨率（GSD）為5 cm。在航攝的過程中根據任務區地形起伏進行分區設計，每個任務分區之間根據任務區地形起伏相對應設計不同相對航高。航空攝影的航高直接與地面分辨率（GSD）相關，其數學關系滿足正相關，如圖1所示。

圖1 地面分辨率與航高關系圖

式（1）中：a為像元尺寸；h為飛行高度；GSD為地面分辨率；f為鏡頭焦距。

通過計算分析，該項目相對飛行高度確定為：地面分辨率=5 cm，相對飛行高度=150 m。

2.3 空三加密

空三加密：根據野外實測的少量像控點，通過空三軟件進行控制點加密，求得加密點的平面坐標和高程的測量方法[7]。

加密區域概況與精度敘述如下。（1）空三加密軟件：全數字攝影測量系統Postflight Terra 3D；（2）平面控制點共23 個，其中包含16 個定向點，7 個檢查點；（3）高程控制點共23 個，其中包含16 個定向點，7 個檢查點；（4）空三加密精度統計：X方向平均值=±0.014，Y方向平均值=±0.016，Z方向平均值=±0.190；X方向最大值=±0.043，Y方向最大值=±0.044，Z方向最大值=±0.583；X方向中誤差=±0.019，Y方向中誤差=±0.020，Z方向中誤差=±0.240；平面（S）中誤差=±0.027，平面（S）差最大=±0.050。

2.4 立體測圖

該項目采用EPS三維測圖系統，依據實景三維模型并輔于外業調繪數據采集任務區地形等高線及所有地物要素。其中，地形要素采集按南方CASS成圖系統軟件的數據標準。EPS傾斜攝影三維測圖支持三維實景模型同步生成正射影像，在沒有DOM數據的情況下也能夠實現正射與模型同步，同時保證分辨率不失真。在三維實景模型上添加多個不同高程的水平切片，并將模型輪廓映射到二維視圖窗口進行測圖，不僅滿足建筑物不同樓層不同輪廓的矢量采集，更是提高了建筑物的采集精度。該系統自動提取高程點與生成等高線，在有植被覆蓋的區域，根據調整傾斜模型上生成的三角網與地形表面的貼合程度來修改錯誤高程點，使提取出來的高程點更加吻合地形的變化，從而得到精確的等高線。

2.5 像片調繪及地形圖精編

2.5.1 像片調繪

（1）外業補測、補調的內容一律以紅色注記表示在圖紙上；對可舍去不表示的地物和已拆除的建筑物，均在外業調繪圖上做刪除標記，清晰地將外業定性表示和房檐改正等內容表示出來。（2）該項目測繪的地貌要素、地物均在外業實地進行調繪，對內業測圖時遺漏、判定不準、看不清的地物，均在野外補測、補調。外業調繪的內容清晰易讀地表示在圖上，各處注記位置恰當，準確無誤，書寫工整。（3）各種現狀地物，如排水邊溝、國防或通信光纜、舊路的波形護欄、蓋板溝等均實測其結構物的走向、位置、長度。（4）調繪圖的數據處理統一采用南方Cass專用軟件進行圖形編輯和數據處理。

2.5.2 地形圖精編

（1）最終地形圖的精編工作統一采用南方CASS專用軟件進行數據編輯。（2）圖形編輯的注記、符號、線寬、線型等執行《國家基本比例尺地圖圖式 第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1—2007）的規定。（3）內業根據野外調繪和立體測圖成果，在計算機上進行圖形編輯和房檐改正。根據外業調繪的檢校數據進行相關檢查，超限的部分反饋至外業進行處理，補繪新增地物。（4）在立體測圖采集的等高線基礎上做適當編輯，使等高線走向合理，線條光滑，避免抖動，微小地貌不做等高線表示，等高線不穿越密集居民地。當梯田坎坡腳與坡頂間寬度大于1 m 時，其寬度依比例尺表示。梯田坎過密，兩坎間距離小于4 m時不表示。（5）碎部點高程注至0.01 m，碎部點的間距為10～15 m。（6）數字注記及漢字注記根據外業調繪圖按圖式表示，地形圖各種要素之間按《國家基本比例尺地圖圖式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GBT 20257.1—2007）要求合理配置。

3 精度分析及成果評價

3.1 精度分析

傾斜攝影測量的誤差主要來源于像控點布設、影像質量、影像重疊度和畸變[8]，其精度分析是將從實景三維模型中提取每個檢查點對應位置的模型坐標與檢查點的測量坐標做對比進行精度評估[9]。為保證測圖精度符合要求，在測區內均勻布設檢查點20 個，并采用網絡RTK在現場對檢查點測量10次并進行平差，得到較為精準的檢查點坐標，檢查點從JH01～JH20 進行編號。表1為精度統計結果。

表1 精度統計表

從表1 中可知，將20 個檢查點在實景三維模型上的坐標與對應位置實際測量的坐標進行對比后得出，X方向中誤差=±0.032 m，Y方向中誤差=±0.037 m，Z方向中誤差=±0.211 m；平面中誤差=±0.049 m，高程中誤差=±0.211 m。均符合《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》（GBT 7930—2008）中1∶500比例尺高原山區的精度要求。

3.2 成果評價

控制和地形圖測繪工作結束后，進行“兩級檢查一級驗收”工作，并通過業主組織的專家評審驗收，做出以下檢查結論：該項目測繪成果符合規范及設計要求控制測量部分按規程操作，精度良好，資料齊全；地形圖測繪外業部分，數學精度良好，地物表示合理，圖式符號運用正確，地理景觀描述恰當，滿足規范及設計要求；總體質量為合格，能滿足下工序作業前的要求。

4 結語

該文利用傾斜攝影測量技術完成了貴州甕安經濟開發區青坑基礎化工區11 km2的1∶500 地形圖測繪，平面中誤差、高程中誤差、成圖精度均滿足相關要求?；趦A斜攝影測量技術對復雜地形地貌的溶丘洼地高原區進行無人機航攝，在提高了測量的作業效率、數據精度、作業安全水平的同時也節省了大量人力物力，并解決了傳統測量手段在高原復雜地形獲取三維地理信息能力不足的問題。通過項目實踐表明，基于傾斜攝影測量技術的無人機航測系統可滿足溶丘洼地高原區的大比例尺地形圖測繪項目的需求。

利用無人機傾斜攝影測量技術在溶丘洼地高原區大比例尺地形圖測繪過程中也存在著以下技術難點：一是黔中北溶丘洼地高原區地形起伏較大，山峰林立，常年有植被覆蓋，精準的地表高程數據獲取困難；二是傾斜攝影測量往往數據量較大，對計算機軟硬件配置要求高，內業數據處理難度大，作業輔助工具成本較高。這些不足還需在往后的傾斜攝影測量技術的發展中不斷地改進和完善，使得傾斜攝影測量技術更加實用、高效、成熟。