论文专区▏海洋测绘航空摄影测量体系建设思考

【编者按：分析了航空摄影测量技术的发展和要求，结合海岸带、海岛礁测绘特点和需求，论述了海洋测绘航空摄影测量技术、装备、标准和人才体系建设的重点和方向，明确提出了技术和装备建设存在的问题、发展思路和技术方案，为海洋测绘航空摄影测量体系建设提供参考。本文发表在《海洋测绘》2015年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。滕惠忠，男，1963年出生，吉林长春人，高级工程师，硕士，主要从事海洋遥感与摄影测量研究。】

文/滕惠忠 申家双 刘敏 叶秋果 张靓

一、引言

航空摄影测量是国内外普遍采用的地形图测绘手段，技术成熟，应用广泛^[１]。近年，航空摄影测量技术呈现出快速发展趋势：特别是无人机航测平台的发展，降低了航空摄影作业难度，极大推动了航测技术的应用范围，航摄相机技术创新，实现了大幅面、高分辨率、多视影像快速获取，自主定位定姿(POS)技术突破，惯性导航单元(IMU)和差分GPS的结合应用，有效降低了对地面控制的依赖性，使稀少控制或无控测图成为可能，航测数据自动化处理技术提高，实现了联合平差、空三加密、数字高程模型(DEM)生成、数字正射影像(DOM)生成的自动化处理^[２]。

航空摄影测量是地形图测绘的主流技术，海洋测绘建立航空摄影测量技术体系是技术发展的必然。随着海洋信息化建设的推进，要求海洋测绘保障范围更广、时效更快、精度更高。常规海岸、岛礁地形测量采用人工加电子平板方式，工作环境艰苦而危险、测量要素少、作业效率低、复测周期长^[６]。航空摄影测量可以建立一套机动、高效的业务体系，将信息采集、处理及应用技术集成于一体，生产丰富的地形测绘产品，提高海岸地形测量效能^[３]。

海洋测绘开展遥感与摄影测量技术应用研究三十余年，研究解决了多项关键技术，创建了摄影测量专业队伍，2012年组织远离大陆的海岛礁航空摄影测量，实践了航测全流程作业，高效获取海岛礁大比例尺地形图成果，印证了航空摄影测量技术满足海洋测绘应用需求，奠定了海洋测绘航空摄影测量体系建设的基础^[４]。

二、体系建设特点与需求分析

航空摄影测量具有完整的技术体系，包括内业与外业、测量与制图，从数据源获取、数据处理到产品制作、信息应用形成了一个完整业务链路，所以，海洋测绘航空摄影测量体系建设包括技术、装备、标准、队伍和产品等多个方面。

⒈ 技术体系

航空摄影测量技术由航空摄影、像控测量、外业调绘、空三加密、内业测图、产品制作、入库编辑和制图编辑、出版印刷等技术环节组成^[２]，在海洋测绘领域应用的技术特点和要求如下。

⑴航空摄影。是航空摄影测量的基础ꎬ要求数据质量好、精度高。海洋测绘应用需要考虑海上作业环境因素的影响，参考潮汐变化确定航摄时间，依据海图要素(海岸线、方位物、航标等)判绘要求确定航摄比例尺，提高航摄基高比，保证海岸、滩涂高程测量精度，克服海岛地形高差较大的难题，合理设置相对航高等。

⑵像控测量。用于获取影像定向和空中三角测量要求的地面控制数据。考虑海岸带、海岛礁的地理特征，像控点布设尽量分布合理，海岸带、滩涂等重要区域应增加高程控制点^[５]。

⑶外业调绘。补充影像判绘无法解译的信息，包括属性、境界等要素，以及内业测图无法解决的问题，如要素更新、补测等，或者实地检核内业测图成果。由于海洋测绘对具有航向指示意义的地物以及海岸带特殊要素的测绘精度要求更高，如航标及其属性、暗礁、海岸线、滩涂等，所以，外业调绘需要根据海洋测绘需求，特别规划与设计。

⑷空中三角测量。目的是解算影像定向参数，建立高精度的立体模型。空中三角测量是航空摄影测量的关键技术，决定航空摄影测量的几何精度，技术含量高，过程复杂。海岸带、海岛礁区域，有两个特殊原因造成了空中三角测量困难：一是无法按规范要求合理布测像控点；二是大面积水域，影像间的连接点少，影像匹配精度低，造成海岸带、海岛礁空中三角测量精度低^[７]。为克服以上问题，海洋测绘要求航摄作业的自主定位精度足够高，实现影像直接定向，减少对地面控制点的依赖。

⑹内业测图。基于立体测图模型，采集地物和地貌几何数据，编制数字线划图(DLG)。内业测图主要靠人工作业，是航空摄影测量工作量最大的技术环节。除了立体测图技能，海洋测绘要求作业员具备海岸带、海岛礁测绘基础，准确判绘海岸线、礁石、方位物、碍航物等信息。

⑹产品制作。目前数字表面模型(DSM)、DEM、DOM均已实现了自动化或半自动化提取与制作，仅需要人工简单修改和编辑。由于水陆影像反差大，海岸带DEM和DOM制作需要更多人工干预。

⑺入库编辑和制图编辑。对矢量数据进行编辑和整饰，分别满足入库要求和制图要求，实现测图数据的管理和出版。近些年，国内已实现图库一体化技术，即在测图数据编辑时形成几何对象，完成几何对象编辑后创建实体，实体数据包含了矢量信息和属性信息，可以输出到数据库，同时，基于实体数据进行符号化处理，即可输出制图数据。除了图库一体化技术，海洋测绘还特别要求地形图与海图兼容的编绘技术。

⒉ 装备体系

航空摄影测量装备包括航摄平台、数字航摄仪(相机)、空中三角测量软件、像控测量设备、外业调绘系统、全数字摄影测量工作站、图像处理软件、地图编绘与出版系统、影像数据管理系统和遥感信息应用系统等专业装备^[３]。海洋测绘装备体系建设要求：

⑴航摄平台。包括通用航摄飞机、无人机等。国内多个部门和公司都装备了专业航摄飞机，主要用于国家基础测绘、国家专项等大型测绘任务。空军和海军也有多架专业航摄飞机，支持国家和军队的测绘任务。与通用航摄飞机相比，无人机小巧、简单，根据应用目的，可以分为小型无人机、长航时无人机和船载无人机。无人机机动、灵活，快速、便捷，适合于沿岸岛礁小范围的航测作业，也适合于远离大陆的离散岛礁地形测绘，而船载无人机随船机动，更适合于特殊区域的岛礁地形测绘和海上监视^[２]。

⑵数字航摄仪。国外数字航摄仪较多，包括ADS、DMC、UCD、A3等系列产品，国内只有SWDC应用较广。国内装备数字航摄仪的单位超过50家，以国外设备为主。针对海岸带和海岛礁测绘，需要自主定位定姿精度高、像幅大、分辨率高、几何性质好、基高比大、影像波段丰富、辐射分辨率高的航摄仪。

⑶空中三角测量软件。国内外成熟的空中三角测量软件很多，为国内用户广泛使用，如PATB、Pixel Factory、PhotoMod、GeoWay CIPS、PixelGrid、DPGrid等，部分软件系统自动化程度较高，可以生成DSM、DEM、DOM等标准测绘产品。考虑软件的改造升级，海岸带测绘需要可塑性和适应性强的空中三角测量软件，以便增设附加参数，增加专业算法模块。

⑷外业调绘系统。由于外业调绘作业比较灵活，没有形成标准的作业装备。国内应用软件较多、较杂。按照《海道测量规范》要求，海洋测绘要求补测和调绘更多的地物、地貌数据，需要自主开发一套海岸地形调绘系统，担负海岸带特殊地理要素的外业调绘任务。

⑸全数字摄影测量工作站。摄影测量的核心装备之一，担负内业测图任务。国内推出了系列的成熟产品，如GeoWay DPS、VirtuoZo、MapMatrix、JX等。目前的全数字摄影测量工作站主要依据地形图测绘标准和要求设计，还不能满足海洋测绘标准要求，如数据格式、制图投影、符号库、图幅设计和产品制作等。由于全数字摄影测量装备专业性强，稳定性和成熟度要求高，最好的方法是基于现有成熟装备进行升级改造。

⑹地图编绘与出版系统。担负矢量数据、入库数据、制图数据等编辑工作。主要软件包括MapStar、GeoWay、CASS、MapStore等。海洋测绘要求兼容海图数据格式和符号库，具备海图编绘功能，真正实现入库、制图、出版一体化作业。

⑺图像管理系统和遥感信息应用系统。不同专业、不同部门的需求不同，遥感图像管理和应用系统的形式和要求也不同。海洋测绘需要开发特色的图像管理系统和遥感信息应用系统。

⒊ 标准体系

航空摄影测量已建立了一套完整的标准规范，随着在海洋测绘领域应用的不断推进，需要结合作业要求制定新的标准和规程，指导作业，完善业务化作业体系建设。根据海洋测绘应用特点，需要制定海岸带航空摄影作业规程、海岸带像控与调绘测量规程、遥感影像海图要素判绘标准、遥感影像海图修测作业标准、遥感影像专题图编绘标准、海岸带航空摄影测量作业规程、无人机海岸地形测绘规程、海岸带数字高程模型数据标准、海岸地形摄影测量成果质量评定标准，以及海洋遥感基础地理信息分类与编码、海洋遥感基础地理信息数据字典，海洋测绘遥感信息库标准、海岸地形图与海图数据交换标准等。

⒋ 队伍体系

航空摄影测量包括内业与外业、测量与制图，技术覆盖面宽、队伍规模庞大。按照航测外业、航测内业和地图制图三部分考虑，一般人员结构为2:5:3，总人数不少于200人。结合海洋测绘体系特点，按照航空摄影测量工作属性及工作量，海洋测绘可以建立航测外业分队担负航空摄影、像控测量等任务；航测内业分队担负空中三角测量、内业测图和外业调绘任务；海图制图分队担负产品制作、数据入库和制图、出版印刷等，人员结构为2:4:4，总人数不应少于100人。除此之外，应该依托院校优势，建立专业人才培训机构^[９]。

⒌ 产品体系

航空摄影测量主要用于地形图测绘。生产DLG、DEM、DOM、DSM等基础测绘产品。除了生产海岸带、海岛礁4D产品以外，海洋测绘可以推出特色的应用产品，如影像海图、专用海图、海洋(区域)三维地理信息系统等^[６]。

三、海洋测绘体系建设思考

⒈ 技术体系建设

航空摄影测量在海洋测绘领域应用的核心技术是空中三角测量和特殊地物要素判绘。因此技术体系建设的主要问题及其解决方案如下。

⑴空中三角测量。为保证空三加密精度，在航摄分区和航线布设时，应打破常规，采取更大的灵活性，依海岸地形特征制定作业方案；针对岛礁区域，利用有限的控制点，独立进行影像定向和单模型立体测图，以保证岛礁测量精度；引入水边线等高的边界条件和潮汐数据获取瞬时水边线高程值，用于空中三角测量数据解算，提高影像定向精度；最终解决这个问题的方法是提高影像自主定位定向数据精度，实现直接定向作业。

⑵海岸线推算。海岸线是多年平均大潮高潮时的水陆分界线，基于潮汐模型可以获取多年平均大潮高潮的潮面高程，依据这个高程值在立体模型上采集等高线。这种方法克服了人为因素的影响，如果数据精度高，海岸线推算精度也比较高，而且作业效率大幅度提高。

⑶滩涂高程测量。海洋测绘对滩涂、海岸、航行方位物等高程测量精度要求较高，超出了航空摄影测量的技术能力。解决方法：一是同步开展机载LiDAR地形测量，获取高精度的DEM数据；二是在航空摄影同时增加激光测高传感器，获取航迹剖面的高程数据；三是开展外业调绘，实地测量滩涂、航行方位物的高程数据。

⑷外业调绘。海洋测绘需要加强外业调绘技术，除了常规的外业调绘内容以外，需要补充测绘海图要求的特殊要素，如水下管道、跨海缆线、暗礁、航标等重要内容。

通用航空摄影测量数据质量好、作业效率高，但是需要动用大型飞机平台。平台改造、任务协调、空域管理、人员结构等一系列问题，较为复杂。平衡考虑，通用航空摄影测量更适合大范围、专业测量任务，如海洋测绘的年度海岸地形测绘任务、专项测绘任务等。无人机航测系统机动、灵活、简单，但是数据处理工作量大、作业效率低，更适合于小范围、快速测量任务，特别是应急测绘和特殊区域的测绘保障等。

⒉ 装备体系建设

航空摄影测量装备技术含量高、专业性强，类似于大型海洋测量装备，尽管非常成熟，但是入门门槛高，自主研发难度较大。目前，航空摄影测量装备在能力上基本满足海洋测绘需求，因此，构建航空摄影测量装备体系时，应以引进、购置为主，在此基础上，根据海洋测绘特点和需求进行改造升级。

⑴航摄平台。海洋测绘体系内有专业航摄飞机平台，奠定了业务化作业的基础。考虑到无人机航测系统简单、适用，国内应用成熟，应首先建设无人机航测装备，开展小范围的航测作业，培植专业基础。无人机航测系统可以采用定制的方式建设。

⑵数字航摄仪。根据海岸带、海岛礁测绘特点和要求，ADS系列航摄仪更适合海岸带测绘。ADS航摄仪以三线阵推扫方式成像，纵向三度全覆盖，重叠度高，视角宽。三重立体影像匹配精度高，保证高程量测精度。三个视角推扫成像避免了因山高坡陡和水体耀斑造成影像降质。单一大孔径焦阑镜头设计使影像几何性质好，多谱段影像保持了地物真实的光谱特性，有利于地物判绘。为满足滩涂、海岸线等高程测量精度要求，应同步装备机载LiDAR测量系统。对于海岸带、海岛礁测绘，POS系统愈加重要，但是国内产品精度低，目前主要靠整机引进。数字航摄仪和机载LiDAR国产化问题，已在规划之中。

⑶空中三角测量软件。空中三角测量的理论和算法完备，但是软件的体量、规模、稳定性和成熟度差异很大。从大规模、批量生产的角度考虑，可以引进国外大型装备；从按需改造的角度考虑，如增加水边线和潮高控制条件等，国内软件系统方案可行。

⑷数据处理装备。图像处理软件比较成熟，以购置为主；全数字摄影测量工作站、地图编绘与出版系统需要基于现有成熟装备进行升级改造；外业调绘系统和海图修测平台，突出了海洋测绘应用需求，以自主开发为主。外业调绘系统可以集成现有的沿岸测图系统和数字判绘系统构建；海图修测平台可以基于ArcGIS平台嵌入立体测图模块实现；遥感信息管理与应用系统需要根据具体需求独立自主研发。

除此之外，装备体系建设还包括小型计算机、刀片机、服务器、磁盘阵列、网络系统、基础数据库、GIS系统等软硬件装备。

⒊ 业务体系建设

海洋测绘航空摄影测量作为一个新的技术体系，不同于引进一台新型装备、提出一个技术方法，除了技术、装备、人才队伍以外，还有技术认可度和作业习惯转变等现实问题，实际困难大得多，切实需要顶层规划，持续推动。从业务体系建设方面考虑，体系建设的指导思想如下。

⑴加快核心装备引进，以大型任务为牵引，强力推进体系建设。装备是承担任务的前提条件，任务是体系建设的动力源泉。积极规划和承担大型航测任务，全面推动业务体系建设。

⑵将航空摄影测量纳入常规的海洋测绘业务体系。一是在年度任务中，安排航空摄影测量任务，保证体系建设持续发展。二是创新海图应用技术，将摄影测量产品直接融入到海洋测绘传统产品体系之中，用于海图制作、海洋地理信息数据库更新，切实将摄影测量技术融入海洋测绘业务体系。

⑶以地形图标准体系为基础，先学后改，建设海洋测绘标准体系。地形图测绘标准是摄影测量技术的精华和总结，只有在掌握其核心技术的基础上，才能编制切合海洋测绘的新标准。

⑷以集成和改造升级为主，以完全自主研发为辅，建设装备体系。由于航空摄影测量技术和装备比较成熟，所以，海洋测绘只需研制和改造特色装备，如海图修测系统、外业调绘系统、遥感信息应用系统等，即可满足装备体系建设要求。

⑸依托院校优势，培养专业人才，建设可持续的人才建设体系。摄影测量是一个独立的学科，具有较深的专业理论，需要规范的人才培养机制。海洋测绘专业人才培养是长期、规范的工作，应发挥院校优势，建立人才培育基地。

⑹创新技术手段，挖掘数据潜能，建设新的技术体系和产品体系。突破航空摄影测量→地形图测绘→海图应用的技术路线，建立航空摄影测量→海图直接应用的技术手段，提高作业效率。摄影测量的特点是产品丰富，利用4D数据可以研制影像海图、影像专题图集、海上(区域)三维地理信息系统等新成果，丰富海洋测绘产品，提高保障能力。

⑺根据摄影测量技术特点，划分海洋测绘内外业任务和人员组成。按照航空摄影测量作业流程，航空摄影、像控测量和外业调绘是纯粹的外业工作。空中三角测量和内业测图与外业工作密不可分，需要外业数据支撑和检验，也应划归外业完成。产品制作、入库编辑、制图编辑和出版印刷则是纯粹的内业工作。如此任务划分，内外业任务和职责界线清晰，便于作业和管理。海洋测绘可以据此分割航测任务，根据作业部门特点，分别承担内业、外业工作，切合海洋测绘体系特点。

四、结束语

航空摄影测量技术发展很快，首先是航空平台从大型化走向大中小多样化，从有人机走向无人机，从复杂走向简单；其次，航摄装备从特殊走向普通，从单镜头单波段走向多镜头全波段，从地面控制测量为主走向航空平台自主定位为主，从单一传感器走向多传感器集成作业；再次，数据处理技术趋于自动化、智能化，数据处理装备专业化、集群化，数据生产流程标准化、规范化，产品趋于多样化、知识化，等等，使航空摄影测量向自主、动态测绘和无控、智能测绘转型发展，成为地理信息获取的基本手段。

海洋测绘发展提出了大范围海岸地形测绘、全球海图修测、机动按需应急测绘等现实需求，迫切需要建设航空摄影测量技术体系。海洋测绘通过海岛礁测绘专项任务印证了航空摄影测量技术的效能和实用性，也总结出以任务规划为牵引、以装备建设为基础、以队伍建设为核心的体系建设方法。新技术体系建设是一个长期而复杂的工程，必须持续发力，纳入海洋测绘年度任务规划；必须精心培护，全方位支持和理解。

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