基于地空一体化的1∶500 地形图测绘应用
摘 要: 为提高1∶500 地形图测绘的效率，满足城市快速建设对地形数据的需求。采用传统地面测量与航空摄影测量新技术结合的方式，通过全野外数字测绘和基于航空摄影的遥感测图法对1∶500 地形图进行测绘，并以宁波市北仑区某测区为例，融合无人机航摄、激光雷达扫描以及全站仪、RTK 等技术，创新性地完成了地空一体化的地形图测绘，达到了预期效果。
关键词: 地空一体化; 1 ∶ 500 地形图; 无人机航摄; 激光点云
目前大比例尺地形图都是通过全野外数字化进行测图，由于成图精度要求，运用航空摄影测量进行大比例尺地形图测绘的主要集中在1 ∶ 2 000及以下比例尺，而运用于1 ∶ 500地形图测绘项目上是鲜有案例。随着航测仪器(工作站)的升级，数码摄影(DDC) 的应用，航空摄影测量精度进一步提高，获取高精度高分辨率影像逐渐成为常态。同时通过无人机及激光雷达可以快速获取航摄影像及激光点云数据，为新方法应用于1 ∶ 500大比例尺测图提供了技术保障。且经实验成果对比测算，基于无人机航摄影像提取的地形要素满足1 ∶ 500大比例尺三类地物的精度要求;基于激光点云获取的高程精度满足1 ∶ 500大比例尺高程精度要求。因此，采用全野外数字化测图法与基于航摄影像的遥感测图法相结合的方式进行地空一体化的1 ∶ 500大比例尺地形图测绘。采用地空一体化进行1 ∶ 500地形图测绘，针对宁波多台风多梅雨等地域情况，可以提高测绘的工作效率，满足城市建设快速发展对地形图数据的需求。
按精度1 ∶ 500 大比例尺地形图的地物点可以分为3 类，一类地物点为城镇道路、街道、巷道两侧明显建筑物(构筑物)拐点;二类地物点主要指设站施测困难的明显建筑物( 构筑物) 拐点及农村居民地明显建筑物(构筑物)拐点;三类地物点为除上述两类地物点的其他地物点。这些地物点要求测绘的平面与高程精度如表1 所示。高程注记点中误差不大于±0.15 m，等高线插求点的高程中误差( 相应等高距取1 m):丘陵地不大于1 /2 基本等高距( 即±0.50 m)，山地不大于2 /3 基本等高距( 即±0.66 m)，高山地不大于1 根基本等高距(即±1.00 m)，隐蔽地区放宽一倍。
随着无人机遥感技术和数据摄影的迅速发展，通过无人机获取高精度地表模型数据越来越便利。于是利用无人机作为遥感平台搭载经过可量测化处理的CCD 相机进行航空摄影，通过设计无人机的像片重叠度、像片倾斜角、像片旋偏角、航线弯曲度、航高、影像质量等的各项技术指标，可以获取地面分辨率4 cm的影像。经测算获取的地物点精度的中误差为10 cm，完全满足三类地物的测图精度要求。因此，针对实际情况，采用基于地空一体化的1 ∶ 500地形图测绘新方法的技术路线，即一、二类地物采用全野外数字测绘、三类地物采用基于航空摄影的遥感测图法的总体技术路线，如图1 所示。
依据项目采用的技术总路线，先做好资料收集、技术设计、项目分区等工作;然后采用全站仪或GPS -RTK 对测区内的一、二类地物进行野外测量，与此同时，利用无人机和激光扫描车对三类地物、高程以及山区进行内业航测、外业核查测图;最后对所有地物点数据按分区进行接边、编辑、整饰、最终检查等，而过程检查贯穿整个项目实施过程中。其中激光点云处理技术和无人机航摄技术是项目的关键技术，前者提供了高程、山地等高线的解决方案，后者为项目所采集的三类地物精度、项目工期等提供了保障，是项目实施的重中之重。
3. 1 一、二类地物采用全野外数字化测图法
项目中测区内的居民建筑区内所有要素和其航测区域内的二类地物点采用全野外数字化方法，利用全站仪或GPS-RTK 进行地形要素的全面采集，内业则利用AutoCAD 或南方CASS 软件进行数字地形图编辑、整饰。碎部点类别有:水系(含坡脚线、水涯线、水闸等)，居民地及设施(含建筑物、花坛、水井等)，交通(含道路、桥梁、加油站等)，管线(含高压输电线、电力线、消防设施等)，地貌(含高程、陡坎等)。依据要素的原则进行过程检查，过程检查合格后形成阶段性成果(如图2 所示)，提交数据与航测地形图成果进行接边。
图2 全野外数字化测图阶段成果
3. 2 基于无人机摄影的遥感测图法
项目对航测区内的高程、三类地物点进行数字化地形要素采集，采用“先内后外”的方法进行成图生产，即利用航片和基础控制成果，生成高精度影像模型，采集道路、水系、地貌等地形要素。而对于整个测区内的高程，则利用高密度激光点云数据，获取高程值并生成等高线，具体技术路线如图3 所示。
图3 基于航空摄影的遥感测图法技术路线
(1)激光点云获取高程、等高线
本文利用宁波市第一次地理国情普查成果中的点云分类成果数据采集非建筑区内的地面高程点以及生成山地的等高线。平坦地区不绘制等高线，用高程注记点表示地形起伏。利用Terra Scan 和Terra Photo，结合点云和正射影像按照设计关于高程点分布和密度的要求，人工提取地面点上的高程数据。
图4 采集地面点高程点数据图
图5 利用地面关键点生成等高线
利用Terra Scan 提取分类后的激光点云中地面点中等高线的关键点，导出其三维坐标数据，再使用Terra Model 内的Display contours 工具，利用提取出的等高线关键点生成1 m等高距的等高线，如图4、图5 所示。
(2)无人机航摄影像
根据项目设计中对像片重叠度、像片倾斜角、像片旋偏角、航线弯曲度、航高、影像质量等的各项技术指标进行设计，采用AXUAV-2 无人机、飞思IXU180 相机对北仑测区进行航摄，共获取数码航空影像10 524张，影像地面分辨率4 cm，具体有以下内容。
①像控点测量
像控测量采用NBCORS 进行测量，按照一级图根点精度进行测量，全部布设成平高点。由于测区范围内有部分山地，为保证像控点分布均匀，且在区域四周及拐点都布有控制点，本项目提前在测区范围内特征点不明显的区域布设像标点。采用独立观测两测回方法，共测得像控点385 个，其中像标88 个，测回间平面坐标互差最大为3.6 cm，高程互差最大为5.6 cm，满足本项目像控点精度要求。项目航线重叠度高，采用差分GPS 联合平差，像控点布设时每隔6 条航带，8 条基线布设一个，个别区域找不到特征点的就近补测像控点，如图6 所示。
图6 像控点布设及分区
②空中三角测量
利用Smart3D 和INPHO 软件进行空中三角测量，采用全自动密集匹配的方式进行，项目分为9 块区域进行空中三角测量处理，其中区块1、2、5、8、9 区块采用inpho 进行处理，区块3、4、6、7 采用Smart3D 进行处理，区块之间至少保证一条航带的重叠度。
从空三数据结果得出，项目各区域网基本定向点平面较差最大为9.4 cm，满足基本定向点残差中误差小于等于13 cm的规范要求; 检查点平面较差最大20.4 cm，满足检查点误差中误差小于等于22 cm的规范要求;同名点较差大部分在10 cm以下，最大较差32.2 cm，满足公共点较差中误差小于等于35 cm的规范要求。
③正射影像制作
根据空三处理结果，分别利用INPHO 和Smart3D软件进行正射影像生成，在软件中对影像进行匀光匀色和影像拼接后分幅输出，输出的成果影像套合原始地形图检查后，形成最终的正射影像成果。
(3)地形数据采集、调绘与编辑
首先利用提交的全野外数字化和基于航空摄影的遥感测图获得的地形图数据依照各自范围，对居民建筑区和航测区域交界的区域对地形要素进行物理性、逻辑性接边，保证地形数据的无缝连接。其次遵循1 ∶ 500地形图成图的原则要求进行成图、整饰。过程检查贯穿整个项目过程，如图7 为地形数据成果。
图7 航测地形数据成果
3. 3 地形图数据接边、成图与验收
首先利用提交的全野外数字化和基于航空摄影的遥感测图获得的地形图数据依照各自范围，在居民建筑区和航测区域交界的区域对地形要素进行物理性、逻辑性接边，保证地形数据的无缝连接。其次遵循1 ∶ 500地形图成图的原则要求进行成图、整饰。过程检查贯穿整个项目过程，最终检查于2016 年12 月20日提交并通过检查验收。
通过对北仑区测区采用全野外数字化法和基于航空摄影的遥感法，进行地形图测绘并最终成图，利用传统与新型测绘技术相结合的方式，在保证精度的情况下大大地提高了地形图测绘的效率。与以往同类项目相比，本项目呈现出了新的项目创新点，主要有以下四方面。
4. 1 航摄影像测绘三类地物
将以前全野外作业方式测绘三类地物转为基于航摄影像的遥感测图，大量降低了外业工作量，将部分外业工作转至内业工作，改善了作业的工作环境，提高了工作效率。项目首次对1 ∶ 500大比例尺地形图进行“天地空一体化”测图，采集的地形数据平面精度优于15 cm，高程精度优于10 cm，满足了相应的精度要求。项目运用无人机航摄高精度影像进行三类地物测绘，三类地物测绘面积约占测区的40%且作业高效，同时无人机获取高精度影像快速、现实性强和成本相对较低等特点，大大推进了项目的进度。
4. 2 激光点云采集高程及等高线
经过十几年的发展，三维激光扫描技术目前已经广泛应用于多个领域，在测绘领域的应用也成为一种趋势。国内将三维激光扫描技术应用于大比例尺地形测量的案例多为研究性应用。本项目将三维激光扫描获得的地面点云数据作为1 ∶ 500地形图的高程数据来源并基于此生成等高线，将三维激光扫描在地形测图上由研究性转换为实际工程性应用，创新性地将新的激光点云技术与传统地形图测绘结合起来，扩展了三维激光扫描的应用，提高了地形图测绘的效率。
4. 3 激光点云与遥感影像的高精度异源数据融合技术
三维激光扫描仪用于高程及等高线采集的一个关键步骤就是点云与遥感影像的高精度配准，但相关研究则鲜有进展。由于激光点云和遥感影像在数据表现形式和属性上均有很大差异，因此传统的配准方法并不能完全适用于这两类数据的配准。针对上述问题，项目利用POS 数据和各个传感器间的相对空间位置关系建立点云与单张面阵CCD 影像间的对应关系，然后根据全景影像与单张面阵CCD 影像间的映射关系，从而实现激光点云与遥感影像的高精度配准。
随着城市发展的需求，传统的地形图测绘技术由于更新速度慢，已不能满足目前经济、社会发展对数字地形图及数字产品的需求。因此，我们应不断探索解决地形图更新慢、周期长的问题，保障城市的经济建设。本文在1 ∶ 500数字化测图中，结合无人机航摄和激光点云等技术，将大量外业工作转移至内业测图，创新性地提出了基于地空一体化的1 ∶ 500地图测绘并应用于实际项目。该方法在精度、进度、操作等方面都有较大的优势，必将全面应用于大比例尺测图。
来源：《城市勘测》2018第3期
作者：张伟 ，付玲，柳婷
标题：基于地空一体化的1 ∶ 500 地形图测绘应用--以宁波市北仑区某测区为例
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