无人机和地面三维激光扫描仪在1:500城市基本地形图测绘中的应用
摘 要：目前，对于城市1∶500数字化地形图数据的获取与更新中，全野外数字测图仍是主要的测绘方式。如何利用新的测量手段提高生产效率和降低劳动强度，是值得关注的问题。文中阐述无人机和地面三维激光扫描仪新技术在城市基本地形图测绘中的应用，利用无人机航测生产的1∶500正射影像图成果，辅助进行全野外测图;利用地面三维激光扫描仪，将快速获取的三维点云数据加以处理，用于测绘成果质量检查。通过这些新技术，对提高1∶500城市基本地形图的生产效率进行有益的尝试，对同类工程具有借鉴意义。
关键词：无人机航测;地面激光扫描技术;全野外数字测图
基础测绘在国民经济和社会发展中，起着基础性、先行性、公益性的作用，为满足广州市城市规划、建设和管理的要求，广州市国土资源与规划委员会委托广州市城市规划勘测设计研究院(简称我院)，在城市基础地形图的“及时维护、周期更新、逐步扩大”的机制基础上，常年对广州市部分区域大比例尺地形图开展测量与更新工作。在城市1∶500数字化地形图测绘中，主要方式仍是全野外数字测图，而且已形成非常成熟的生产流程。近年来，随着科技的进步和对测绘需求的急剧增长，全野外数字测图陆续引入了一些新方案、新手段，使测绘模式趋于多样化、立体化，极大地提高了外业工作效率，降低劳动强度。
随着无人机技术的快速发展，无人机在测绘领域展现出了良好的应用前景。利用eBee无人机和中测新图雨燕ZC-3无人机，搭载框幅式小像幅数码相机，我院开展“无人机测制1∶500大比例尺地形图生产体系建立研究”课题，依托无人机为主要的信息接收平台，通过对无人机机载遥感信息的采集和处理，取得1∶500正射影像图和数字线划图成果。
1.1 利用无人机航测生产1∶500DLG产品
1.1.1 精度统计分析
将已有的全野外采集地形图成果与无人机生产的地形图成果进行叠加，采用同精度检测。平面精度检测方面，选择122个点进行(X，Y)坐标值统计;高程精度检测方面，选择30个高程注记点进行高程值(H)统计，检测精度情况如表1所示。
统计显示，利用无人机航测生产的1∶500DLG产品，成果精度满足我院1∶500地形图精度指标。
1.1.2 生产效率分析
与传统全野外测量方法相比，无人机航测生产虽然减少了外业工作量，却加大了内业工作量。除平地、丘陵之类的简单地形之外，其它复杂的被测地形，采用无人机航测生产1∶500数字线划图的方法，在作业效率上并无明显优势。
1.2 利用无人机航测辅助进行全野外测图
在“无人机测制大比例尺地形图生产体系建立研究”课题中，我院分别用eBee无人机和ZC-3无人机航摄，制作了1∶500正射影像图成果共240幅，应用于全野外测图生产中，取得了很好的效果。
正射影像图辅助进行全野外测图生产，可以应用于以下几个阶段，如图1所示。
图1 正射影像图辅助测绘生产
利用无人机航测制作的1∶500正射影像图(如图2所示)，由于具有分辨率高、现势性强、制作成本低的优势，无论在全野外数字测图生产的初期、中期还是后期，都能发挥出独特的作用，可提高作业效率和准确性。
图2 无人机测制的1∶500正射影像图
地面三维激光扫描仪主要用于在全野外1∶500地形图测图成果质量检测。我院的常规做法是采用人工方式进行外业巡查和设站检查，需要投入较多的检查人员，检测效率较低，大规模数据生产过程中，容易形成疲于应付的局面。通过地面激光扫描技术，快速获取三维点云数据，将这些点云数据加以处理，探索出一套基于地面激光扫描技术的测绘成果质量检查的新体系，是我院的一个大胆尝试，并初见成效。
依托点云数据，我院开发了“激光扫描成果质量检查程序”，用来提高数据处理的效率。通过基于深度图识别的建筑物角点提取算法和基于近邻域分析的高程点拟合算法，实现地形图建筑物角点检测坐标和高程点检测高程的快速提取。
测量成果精度检测包括地理精度检测和数学精度检测，数学精度检测又包括平面相对精度检测、平面点位精度检测和高程精度检测。
2.1 地理精度检测
由于三维点云具备“所见即所得”的特点，可以采用调整点云的颜色或叠加多个点云数据对比等手段，对地形图的地理精度进行检查，内容包括：地理要素的错漏(如图3、图4所示)、地理要素类别的错误、楼房楼层的错误等。
图3 点云数据
图4 通过点云发现的漏绘飘檐现象
2.2 相对精度检测
在三维点云中，通过量测地物点的间距、地物的边长等，进行平面位置相对精度检测(如图5所示)。可采取点到面、点到点的测量方式，也可采用剖切点云比较拟合线的方式。
图5 平面相对位置检测
2.3 平面点位精度检测
深度图高度和角度一般设置为100m和180°，深度图的设置参数与房屋角点自动提取的精度有关(如图6所示)。
图6 房屋角点的提取
2.4 高程精度检测
利用基于近邻域分析的高程点拟合算法，实现高程点高程的快速提取(如图7所示)。取点范围阈值一般设置为地形图对应的平面精度，这里取0.05m。
图７ 高程点高程的提取
2.5 地面三维激光扫描技术检查测绘成果质量的评价
利用点云数据检测地形图的测量成果精度，使得外业检测的效率显著提高，劳动强度极大降低;与已有地形图相比较，检测地物点点位中误差为±6.4cm、地物点间距中误差为±5.5cm、高程注记点中误差为±8.6cm，检测精度满足规范要求;在扫描作业时，同步采用RTK 测量大量站心点坐标用于自我检查，保证了较强的可靠性。
随着测绘新技术的发展，将会有更多的新方法应用于城市1∶500数字化地形图测绘。目前针对城市基础地形图，我院已搭建出地空协同的立体测绘新模式，相信在不久的将来，架构将会更丰满、更高效。
来源：《测绘工程》2018年5月
作者：傅咏冬
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