科普 | 大比例尺地形图测绘
大比例尺地形图作为城市基础地理信息的重要来源，被广泛应用于多个领域。
1无人机航测与传统测绘对比
2比例尺基本概念
2.1 比例尺的概念：
地形图上一段直线长度与地面上相应线段的实际水平长度之比，称为地形图的比例尺。
2.2 比例尺分类：
大比例尺图：l:500、l:1000 、l:2000 、l:5000 、l:1万
中比例尺图：1:2.5万、 1:5万、 1:10万
小比例尺图：I:20万、1:50万、I:100万
2.3 比例尺精度：
人用肉眼能分辨的最小距离一般为0.1mm，所以把图上0.1mm所表示的实地水平距离称为比例尺精度，即0.1mmXM
M为比例尺分母
2.4 比例尺与大小关系：
3地形图采集方式
3.1无人机低空航摄与RTK相结合方式
针对测量区域面积大、区域内地物不复杂、四周宽敞的情况，利用无人机低空航摄与RTK测量组合测量方式能够降低野外工作量，提高作业生产效率。
无人机低空航摄与RTK组合测量方式的作业流程控制如图1所，传统的航摄作业流程采用先布设像控点再进行空三加密的方式，这种做法工作周期较长，无法体现出无人机航摄的先期性，因此可对基于无人机的航摄传统作业方法进行改进，存对测区进行外业实地测量前，利用自由网平差方法对无人机航摄影像进行空三加密，获取自由坐标系下的DOM与DEM数据， 基于此 DOM数据在数字化测图软件中绘制该区域线化图，再利用RTK碎步测量采集特征点后转换成指定坐标系，该种方法的精度取决于自由网平差过程中连接点的匹配精度。为提高连接点匹配精度，一方面在航飞线路设计时采用垂直构架航线，实现影像的全方位高重叠度，有效解决了同名连接点的误匹配;另一方面在影像数据内加密时利用先进的计算机视觉与摄影测量相结合的算法，对多度重叠点进行多方向的前方交会，解决连接点的有效匹配，在此基础上根据匹配情况采用一定量的人工干预，从而提高数据的内业平差精度。
3.2 RTK与全站仪相结合测量的方式
部分测区分布在建筑物复杂密集的市区中心，以兰州市为例，由于周围建筑物高大密集，采用无人机航摄方法获取的 DOM数据将被高楼遮严重，效果不好。而由于卫星信号遮挡严重，仅利用RTK碎步测量也无法完成测量任务。
RTK与全站仪组合测量的方式是利用RTK在测区内宽敞地区布置一些全站仪测量所需的控制点，全站仪测量的起算数据就是以这些控制点数据为准。这种改进全站仪的测量方式，省去了传统布设导线控制网的过程，能够大大缩短作业时间。该种测量方式的精度大部分取决于起算控制点RTK测量的精度，RTK测量能达到厘米级别的精度，以南方S82T仪器 为例 ，其平面精度 ±1c m + 1ppm，高程 精度 ±2cm + 1ppm，在测量过程中利用多台仪器多次测量同一个点位并互相比对后，得出控制点最佳坐标值，实际实测过程中全站仪测量利用 1秒级精度仪器，保证了测量结果能够达到较高的精度。
3.3 改进RTK测量方式
针对测区区域面积较小、建筑面积不密集、卫星信号较好的情况，可采用 RTK碎步测量的方法独立作业。
传统RTK测量是利用测量点序号编号，并在野外现地绘制草图，该种办法至少需要两个人员配合，效率一般，尤其是内业成图过程中，如果野外测量草图绘制凌乱， 将大大影响内业成图效率。改进RTK测量方式是将测量的碎步点编成个人习惯的缩写代码，省去了野外绘制草图的过程，在内业成图时，能使采集的碎步点能够清晰的描绘出一幅电子草图，具有很高的效率， 促进来了内外业作业一体化。图 3列出了某绿化带和房屋的编码，以绿化带为例，在利用 R T K碎步采集的时候，编码以缩写字母依照顺序进行，并在有弧度的点位标明 ( 如 ld4y ) ，在测量房屋建筑时，往往房屋拐角是RTK电台与GPS信号盲区，可通过隔点测量的方式进行，并标明隔点位置 ( 如 F4G表示距上一点隔一个点位，F6G2表示距上一点隔两个点位) 。采用如上编码方式，不仅省去了野外绘制草图的过程，提高了外业测量的效率，降低了野外人力物力的投入，同时缩短了内业作图的时间。
3.4 RTK与图纸资料相结合的方式
部分测区存有己测绘过的高精度大比例尺地形图纸质资料，针对这种情况，可利用 R T K与图纸资料相结合的方式，将扫描栅格图像纠正后矢量化，再利用RTK测量特征点，求解转换参数后转换到指定坐标系下，并利用RTK测量对变化区域修测。
为减少图像纠正的误差，将扫描的图纸划分成若干个小块，再对这些局部区域进行精纠正，改正局部畸变。通常采用地形图上的方格网作为最小局部纠正区域，通过人工交互精确确定方格网四个角点的图像坐标和高斯平面坐标值，确定双线性变换模型多项式系数，利用该模型实现图像纠正。具体作业流程如图4所示。
4检查精度的常见方式
大比例尺地形图修补测常见精度问题有平面中误差超限、平面检测粗差超限、高程中误差超限、高程检测粗差超限、间距中误差超限、间距检测粗差超限等。
4.1.1平面中误差超限
检查方法是先采集明显地物点的坐标值;再根据图上坐标与采集的坐标差值，计算点位中误差。若坐标分量差值中存在系统误差，则中误差很可能超限。其原因及处理办法为：
1)外业采集时采用的坐标系与成图坐标系不一致;检查坐标系的一致性。
2)外业采集时图根控制点存在系统误差或粗差;检测图根控制点，确保外业采集点的准确性。
3)内业成图时，空三加密存在误差或粗差导致立体模型扭曲、变形;平面、高程中误差可能同时超限。此时，应检查像控点成果的正确性[1]、空三加密成果的可靠性[2]、建模过程中相对定向与绝对定向的准确性[3]。此环节出问题需重新建模，并重新采集模型范围内的数据。
4)内业采集时，超描(超出像控点控制范围)测图也会产生系统误差，导致平面中误差超限。该情况出现在模型外围，应变换模型检查，重测超描部分。
5)随机误差中，分割不当、取舍不合理、观测没
照准、线(面)状地物连线错误、独立地物与附近点混淆，屋檐改正精度不够，都会引起粗差率超限或平面中误差超限。
4.1.2 平面检测粗差超限
《测绘成果质量检查与验收》规定[4] ：粗差率≤ 5%[5] 表明，测图过程中允许存在粗差，但当粗差率> 5% 时应查明原因并进行修正。粗差产生的原因，除了系统误差(平面中误差超限)，主要有分割不当、遗漏、变化、屋檐改正错误等。检测相邻地物的间距，可查出此类错误。
1)分割不当，主要是由于航摄影像遮挡、阴影等产生的错层房屋投影变形导致的分割错漏;可通过巡视、全野外数据采集进行检查、修改。
2)房檐改正不准确，大比例尺测图要求进行房檐改正。房檐改正一般要求以滴水线为基准，现在建筑物大多看不清滴水线，房檐改正仅凭作业人员经验判断，错误较多。
4.1.3 高程中误差超限
1)检测采用的图根控制点存在系统误差或粗差、仪器高量取错误都可能导致高程中误差超限。此类检测点误差具有系统性，即误差大小相似、符号一致，应重新核查。另外，内业测图人员的工作习惯(有人习惯切浮、有人习惯切沉)也会产生系统误差[6]，从而导致高程中误差超限，此时应换人重测。
2)立体模型扭曲、变形。其表现为在局部小范围内(一个立体模型中心部位)出现高程值异常，存在向模型中心递增(递减)趋势，且平面中误差较大;此时应考虑重新建模、测图。
3)地物、地貌发生变化。测图周期内，道路翻修、场地平整等都会引起高程中误差超限，此类误差具有集中性、区域性，粗差集中在某一条路上或某一区域内;应及时更新、进行修补测。
4.1.4 高程检测粗差超限
1)全野外采集时，棱镜高、RTK 杆高变化没有及时更改可能导致少数点的高程值粗差超限。这类误差具有随机性，应检查测量方法是否正确[7]。
2)内业测图未切准模型也会使高程值粗差超限。
4.1.5 间距中误差与间距检测粗差超限
1)平面点采集精度和屋檐改正精度决定了间距误差的大小。间距中误差超限，应对接近限差的间距进行复查;必要时应对超过中误差的间距误差全部复核。
2)间距检测粗差超限，原因与平面粗差超限类似，处理方法也相似。同时，采集精度不高也会引起粗差超限，此时可考虑在误差范围内采用各改一半的方法进行修改。
本文对HD 测区1 ∶ 500 抽样检查结果进行了分析(表1)。测区面积为10 km2，共160 幅图，本次抽样选取13 幅，其中平面中误差超限4 幅、平面检测粗差超限9 幅、高程检测粗差超限6 幅，间距检测粗差超限10 幅，去掉粗差间距中误差、高程中误差不超限。
由表 1 可知，整体质量评定为“ 批不合格”。现以****7721 号图为例(表2)分析原因，并确定处理方案。
由表1、2 可知，平面粗差率为2/29(取2 倍中误差为限差)大于5%，剔除粗差(粗差不参与精度统计)后平面中误差为0.262，大于中误差限差±0.25[8]。
结合图形分析：图1 中601 点由于漏测阳台导致粗差(原图中漏测阳台)，603 点没有进行屋檐改正，实测房角在房屋内部，可通过巡视发现问题并修改。631 点电杆、632 点路标未作偏心改正，点位误差较大、间距误差超限，通过检查间距误差或地物的相对关系就能发现问题并改正。图2 中605 点为检测的阳台角(原图中漏测阳台)与6051 点对称，可通过巡视发现问题并修改。609、612、613、606 点由于屋檐改正不当(其中606 点应与6061 点齐)，导致粗差，通过检查间距误差可发现问题。
消除粗差和修改大于中误差的误差值后，图形整体精度有了很大提高，平面中误差为0.158，小于限差±0.25，满足设计要求，见表3。本例为了论述方便，在消除粗差和误差较大值后，直接进行精度统计;而在实际工作中须重新抽样检查，并进行精度统计。
航空摄影测量大比例尺地形图测绘的数学精度不容易控制，误差主要来源是外业调绘屋檐改正部分，仅凭作业人员的经验，有太多不确定的人为因素。因此，减少屋檐改正误差，就能较容易地控制大比例尺地形图精度。根据多个测区生产经验，本文提出以下避免调绘数学精度出错的方法：
1)开始调绘前，对内业数据进行外业抽样检查，确保内业生产数据符合外业调绘精度要求，减少错、漏。
2)内业采集时，一般要求采集建筑物的外围形状，为了便于外业精度检核，对于女儿墙和内业数据采集可看见的墙角必须采集，并单独存放在一个规定数据层。内业编辑时，对调绘的数据进行检核，可大批量减少外业调绘错误。
3)利用相邻不需进行屋檐改正的地物的相对关系进行屋檐改正，如城郊民宅房屋门面一般都是整齐划一的，可以没有屋檐改正的房屋和围墙数据为基准确定门面的屋檐改正，不仅方便快捷，而且准确度高。
4)单位和工厂中大型建筑的屋檐改正特别困难，可以充分利用内业采集数据准确的独立地物、内部道路边线、花坛、围墙、电杆、相邻建筑物的边线的相对距离来进行屋檐改正。
5)低矮建筑物没有滴水线的屋檐改正，可运用手持测距仪垂直放置在地面照准屋檐，通过手持测距仪的移动确定滴水线位置。
6)建筑物的分割，有屋檐改正的必须进行地面实地量测。
7)建筑物附近没有其他条件时，测量建筑物长宽，对屋檐改正后的数据进行检核，若精度超限，只能采用全站仪野外实测。
8)影像遮挡、内业无法定位的地物(井盖、消防栓等)及局部更新，可采用交会法或全野外测图的方法进行修补测[9]。
5常见使用规范
表 １ 地物点相对邻近控制点的点拉与间距中误差
地物点 类别 | 点位中误差与间距中误差（m) | |||||
1:500 | 1:500 | 1:500 | ||||
点位 | 间距 | 点位 | 间距 | 点位 | 间距 | |
一类 | ±0.05 | ±0.05 | ±0.1 | ±0.1 | ±1.0 | ±1.0 |
二类 | ±0.075 | ±0.075 | ±0.15 | ±0.15 | ||
三类 | ±0.25 | ±0.2 | ±0.5 | ±0.4 |
※特殊困难地区可放宽50%
表 2 地形图基本等高距(单位：m)
地形类别 | 成图比例尺 | ||
1:500 | 1:1000 | 1:2000 | |
平地 | 0.5 | 0.5(1.0) | 1.0(0.5) |
丘陵地 | 1.0(0.5) | 1.0 | 1.0 |
山地 | 1.0 | 1.0 | 2.0(2.5) |
高山地 | 1.0 | 2.0 | 2.0(2.5) |
※括号内数值表示可选基本等高距，一幅图内不得采用两种以上基本等高距
表 3 等高线插求点的高程中误差
地形类别 | 平地 | 丘陵地 | 山地 | 高山地 |
高程中误差 | ≤1/3等高距 | ≤1/2等高距 | ≤2/3等高距 | ≤1等高距 |
※特殊困难地区可放宽50%
地形类别 | 成图比例尺 | ||
1:500 | 1:1000 | 1:2000 | |
平地 | 0.15 | 0.15 | 0.333(0.15) |
丘陵地 | 0.5(0.15) | 0.5 | 0.5 |
山地 | 0.67 | 0.67 | 1.33(1.67) |
高山地 | 1.0 | 2.0 | 2.0(2.5) |
举例说明： 以1:1000成图比例尺的丘陵为例，查表可知基本等高距为1.0m，地形图高程精度要求为1/2等高距，则可以计算出高程精度需满足1.0m*1/2 = 0.5m精度 |
表 5 地面分辨率
测图比例尺 | 地面分辨率值(cm) |
1:500 | ≤5 |
1:1000 | 8~10 |
1:2000 | 15~20 |
表 6 基本定向点残差、检查点误差最大限值
成图 比例尺 | 点别 | 平面位置中误差(m) | |||
平地 | 丘陵地 | 山地 | 高山地 | ||
1:500 | 基本定向点
| 0.13 | 0.13 | 0.2 | 0.2 |
检查点 | 0.175 | 0.175 | 0.35 | 0.35 | |
1:1000 | 基本定向点
| 0.3 | 0.3 | 0.4 | 0.4 |
检查点 | 0.5 | 0.5 | 0.7 | 0.7 | |
1:2000 | 基本定向点
| 0.6 | 0.6 | 0.8 | 0.8 |
检查点 | 1.0 | 1.0 | 1.4 | 1.4 | |
成图 比例尺 | 点别 | 高程中误差(m) | |||
平地 | 丘陵地 | 山地 | 高山地 | ||
1:500 | 基本定向点
| 0.11 | 0.2 (0.11) | 0.26 | 0.4 |
检查点 | 0.15 | 0.28 (0.15) | 0.4 | 0.6 | |
1:1000 | 基本定向点
| 0.2 (0.11) | 0.26 | 0.4 | 0.75 |
检查点 | 0.28 (0.15) | 0.4 | 0.6 | 1.2 | |
1:2000 | 基本定向点
| 0.2 (0.11) | 0.26 | 0.6 | 0.9 |
检查点 | 0.28 (0.15) | 0.4 | 1.0 | 1.5 |
※表中加括号处为0.5m等高距的精度要求
表 7 航测成图地物点相对邻近控制点的点位与间距中误差(单位：m)
地形类别 | 点位中误差与间距中误差 | |||||
1:500 | 1:1000 | 1:2000 | ||||
点位 | 间距 | 点位 | 间距 | 点位 | 间距 | |
平地、丘陵地 | ±0.6 | ±0.6 | ±0.6 | ±0.6 | ±0.6 | ±0.6 |
山地、高山地 | ±0.8 | ±0.8 | ±0.8 | ±0.8 | ±0.8 | ±0.8 |
※特殊困难地区可放宽50%
表 8 地物点平面精度要求
地形类别 | 点位中误差与间距中误差(m) | ||
1:500 | 1:1000 | 1:2000 | |
平地、丘陵地 | 0.3 | 0.6 | 1.2 |
山地、高山地 | 0.4 | 0.8 | 1.6 |
举例说明： 以1:1000成图比例尺的山地为例，查表可知丘陵地的平面精度要求为图上0.6mm，换算后即为0.6mm*1000 = 0.6m |
表 9 地形图基本等高距(单位：m)
地形类别 | 成图比例尺 | ||
1:500 | 1:1000 | 1:2000 | |
平地 | 0.5 | 0.5(1.0) | 1.0(0.5) |
丘陵地 | 1.0(0.5) | 1.0 | 1.0 |
山地 | 1.0 | 1.0 | 2.0(2.5) |
高山地 | 1.0 | 2.0 | 2.0(2.5) |
※括号内数值表示可选基本等高距，一幅图内不得采用两种以上基本等高距
表 10 等高线插求点的高程中误差
地形类别 | 平地 | 丘陵地 | 山地 | 高山地 |
高程中误差 | ≤1/3等高距 | ≤1/2等高距 | ≤2/3等高距 | ≤1等高距 |
※特殊困难地区可放宽50%
表 11 地形图高程精度要求（单位：ｍ）
地形类别 | 成图比例尺 | ||
1:500 | 1:1000 | 1:2000 | |
平地 | 0.15 | 0.15 | 0.333(0.15) |
丘陵地 | 0.5(0.15) | 0.5 | 0.5 |
山地 | 0.67 | 0.67 | 1.33(1.67) |
高山地 | 1.0 | 2.0 | 2.0(2.5) |
举例说明： 以1:1000成图比例尺的丘陵为例，查表可知基本等高距为1.0m，地形图高程精度要求为1/2等高距，则可以计算出高程精度需满足1.0m*1/2 = 0.5m精度 |
表 12 高程中误差
成图 比例尺 | 1:500 | |||
地形 类别 | 平地 | 丘陵 | 山地 | 高山地 |
等高距 | 0.5 | 1.0 (0.5) | 1.0 | 1.0 |
加密点 中误差 | - | - | 0.35 | 0.5 |
成图 比例尺 | 1:1000 | |||
地形 类别 | 平地 | 丘陵 | 山地 | 高山地 |
等高距 | 0.5 (1.0) | 1.0 | 1.0 | 2.0 |
加密点 中误差 | - | 0.35 | 0.5 | 1.0 |
成图 比例尺 | 1:2000 | |||
地形 类别 | 平地 | 丘陵 | 山地 | 高山地 |
等高距 | 1.0 (0.5) | 1.0 | 2.0 (2.5) | 2.0 (2.5) |
加密点 中误差 | - | 0.35 | 0.8 | 1.2 |
※1:500地形图平地、丘陵宜采用平高全野外控制布点，1:1000、1:2000地形图平地可采用全野外控制布点。未加括号的等高距是优先采用的，括号内是可选等高距及对应的中误差要求。
- End -
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