李蘇東

(山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南 250101)

以“周期短、成本低、效率高、精度勻、技術(shù)尖”為特點(diǎn)的航空攝影測(cè)量技術(shù)在經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量和解析攝影測(cè)量階段后，已經(jīng)發(fā)展到今天的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了攝影測(cè)量處理流程的全數(shù)字化。正在進(jìn)行“數(shù)字城市”地理空間框架建設(shè)的主要內(nèi)容有三項(xiàng)，即:數(shù)據(jù)庫(kù)(基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和各種專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù))、地理空間信息公共平臺(tái)及若干應(yīng)用系統(tǒng)?？梢?jiàn)，數(shù)字3D產(chǎn)品是“數(shù)字城市”建設(shè)中的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)重要內(nèi)容。在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范基礎(chǔ)上，采用數(shù)字航空攝影實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集，可快速形成3D數(shù)字產(chǎn)品。經(jīng)已經(jīng)完成的“數(shù)字城市”地理空間框架建設(shè)事實(shí)表明，數(shù)字航測(cè)具有強(qiáng)大的生命力，是攝影測(cè)量的發(fā)展方向。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量也成為攝影測(cè)量界研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，已經(jīng)成為快速獲取3D數(shù)字產(chǎn)品的主要技術(shù)手段。

根據(jù)航測(cè)項(xiàng)目生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，3D基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集成本大、周期長(zhǎng)，在保證質(zhì)量的前提下進(jìn)行探索采用新方法或新工藝進(jìn)行基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行技術(shù)研究，通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法或工藝成產(chǎn)數(shù)據(jù)的正確性，進(jìn)而在其他項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，從而推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

1 問(wèn)題的提出

目前，通過(guò)數(shù)碼航攝技術(shù)的引進(jìn)消化、自主研發(fā)及推廣應(yīng)用，大大提高了航攝影像的高分辨率和高精度。數(shù)碼航攝技術(shù)與GPS全球定位系統(tǒng)、IMU慣性導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)以及激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)集成進(jìn)行航空攝影，其獲得的影像數(shù)據(jù)在中小比例尺(1∶2000～1∶10000及以上)DLG、DEM、DOM和真三維建模中的應(yīng)用更加廣泛。而航測(cè)法用于平坦地區(qū)的大比例尺3D產(chǎn)品的生產(chǎn)則存在較大的局限性，其主要原因?yàn)?

(1)采用航測(cè)方法進(jìn)行1∶500地形圖測(cè)繪時(shí)，即使采用航攝效果較好的地面分辨率達(dá)2.52 cm的航片，也需要按全野外布點(diǎn)方法進(jìn)行像控測(cè)量，現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不容許采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，造成外業(yè)像控測(cè)量工作量較大，體現(xiàn)不出航測(cè)作業(yè)方法的優(yōu)越性。

(2)對(duì)航測(cè)內(nèi)業(yè)高程精度沒(méi)有把握，尤其對(duì)平坦地區(qū)的航內(nèi)高程精度能否達(dá)到規(guī)范要求，制約了航測(cè)技術(shù)在大比例尺數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究的目標(biāo)和內(nèi)容

航測(cè)遙感項(xiàng)目施工過(guò)程可分為7道工序，在滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范對(duì)精度要求的基礎(chǔ)上，探索提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約成本的作業(yè)方法，對(duì)航測(cè)作業(yè)流程的有關(guān)工序或步驟進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，達(dá)到快速高效且降低成本完成航測(cè)工程項(xiàng)目的目的。

2.1 可進(jìn)行改進(jìn)的工序分析

第1道工序原始圖像采集依賴(lài)于采集平臺(tái)的改進(jìn)和影像采集設(shè)備的發(fā)展，實(shí)際上就是整體科技進(jìn)步，采用和購(gòu)買(mǎi)好的飛行載臺(tái)和高分辨率的影像拍攝儀器能達(dá)到效果，但留給作業(yè)單位進(jìn)行改進(jìn)的空間很小，主要依賴(lài)于外部條件。

第2道工序基礎(chǔ)控制測(cè)量的技術(shù)和方法都比較成熟和先進(jìn)，現(xiàn)在主要采用GPS測(cè)量方法進(jìn)行分級(jí)布網(wǎng)進(jìn)行，改進(jìn)的余地也很小。

第3道工序像片控制測(cè)量，可以一條航線(xiàn)段為單位布設(shè)像片控制點(diǎn)的航線(xiàn)網(wǎng)布點(diǎn)，也可以幾條航線(xiàn)段或幾幅圖為一個(gè)區(qū)域布設(shè)像片控制點(diǎn)的區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，還可以一張像片或一個(gè)立體像對(duì)為單位布設(shè)像片控制點(diǎn)的全野外布點(diǎn)等，但規(guī)范要求大比例尺圖按全野外布點(diǎn)，可探索像片控制測(cè)量在平坦地區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)代替全野外布點(diǎn)。本項(xiàng)試驗(yàn)的成功可減少像片控制測(cè)量50%左右的工作量，另外在配合單基站CORS可較大地提高效率，減少作業(yè)周期。

第4道工序3D航測(cè)數(shù)字產(chǎn)品制作、第6道工序內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和圖形編輯及第7道工序3D數(shù)字產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)主要依賴(lài)于軟件的自動(dòng)化程度和作業(yè)員的熟練程度，只能通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)努力、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的進(jìn)步和培訓(xùn)作業(yè)員上下工夫，進(jìn)行作業(yè)效率的提高，但作業(yè)方法及作業(yè)流程基本一致，進(jìn)行創(chuàng)新的可能性較小。

第5道工序外業(yè)調(diào)繪與高程測(cè)量，無(wú)能是在人員投入還是在成本花銷(xiāo)上，本工序在整個(gè)航測(cè)作業(yè)過(guò)程中都占較大比重。外業(yè)調(diào)繪方法經(jīng)過(guò)這幾十年的發(fā)展已相對(duì)成熟。在高程測(cè)量方面，隨著數(shù)碼航攝儀及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，像片的分辨率已經(jīng)很高，立體模型越來(lái)越精細(xì)，可探索采用以經(jīng)檢測(cè)的航測(cè)內(nèi)業(yè)高程代替全野外高程測(cè)量方法，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少外業(yè)作業(yè)人員的數(shù)量，節(jié)約成本。

2.2 確定關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容

通過(guò)以上分析，確定本次技術(shù)研究的內(nèi)容為以下兩點(diǎn):

①研究在平坦區(qū)域，像片控制測(cè)量采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)代替全野外布點(diǎn)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)精細(xì)驗(yàn)證精度，看是否達(dá)到現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范要求，完善采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)進(jìn)行像片控制測(cè)量的方法、流程及作業(yè)具體技術(shù)細(xì)節(jié)。

②研究在航測(cè)成圖高程測(cè)量時(shí)，以經(jīng)檢測(cè)的航測(cè)內(nèi)業(yè)代替全野外高程測(cè)量，通過(guò)外業(yè)高程檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證航測(cè)內(nèi)業(yè)采集高程點(diǎn)的精度，是否滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)大比例尺地形圖DLG的高程精度要求。

高程精度要求為:基本等高距為0.5 m的平坦地區(qū)，其高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不大于±0.15 m。其他地區(qū)地形圖高程精度按《城市測(cè)量規(guī)范》要求執(zhí)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究的實(shí)施

3.1 選擇項(xiàng)目

在青島城陽(yáng)區(qū)1∶500航測(cè)項(xiàng)目、福建石獅 1∶500航測(cè)項(xiàng)目、青島膠南 1∶500航測(cè)項(xiàng)目、青島平度市1∶500航測(cè)項(xiàng)目等4個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和成果檢驗(yàn)，4個(gè)航測(cè)項(xiàng)目位置如圖1所示。

圖1 實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目位置圖

采用航測(cè)方法進(jìn)行3D(DLG、DOM及DEM)數(shù)據(jù)采集的4個(gè)項(xiàng)目等高距均為0.5 m;在實(shí)際生產(chǎn)中共布設(shè)了438個(gè)區(qū)域網(wǎng)，采用全站儀或GPS－RTK對(duì)所有圖幅隨機(jī)抽取50個(gè)～60個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)測(cè)量高程，與航測(cè)內(nèi)業(yè)高程進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，分析航測(cè)內(nèi)業(yè)高程的正確性，外業(yè)共測(cè)量了181440個(gè)高程點(diǎn)來(lái)對(duì)比統(tǒng)計(jì)航測(cè)內(nèi)業(yè)高程的精度，參與試驗(yàn)的各個(gè)項(xiàng)目的基本情況如表1所示。

試驗(yàn)項(xiàng)目基本情況表 表1

3.2 研究方法

(1)外業(yè)像控測(cè)量采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)代替全野外布點(diǎn)方法

將測(cè)區(qū)劃分為若干個(gè)區(qū)域，對(duì)較平坦地區(qū)布設(shè)區(qū)域網(wǎng)，區(qū)域單元大小不大于5條航線(xiàn)，每條航線(xiàn)的基線(xiàn)數(shù)不超過(guò)12條，同時(shí)為了提高像控點(diǎn)的精度，對(duì)每個(gè)像控點(diǎn)均采用GPS－RTK測(cè)量方法在不同時(shí)段兩次獨(dú)立觀測(cè)其三維坐標(biāo);為了驗(yàn)證空三加密網(wǎng)的精度，從而保證內(nèi)業(yè)測(cè)圖精度，在每個(gè)區(qū)域網(wǎng)布設(shè)2～3個(gè)空三加密檢查點(diǎn)，航測(cè)內(nèi)業(yè)空三加密時(shí)將布設(shè)的2～3個(gè)檢查點(diǎn)作為空三測(cè)量加密點(diǎn)，進(jìn)行空三加密平差計(jì)算獲得其坐標(biāo)和高程并進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，同時(shí)為檢測(cè)航測(cè)內(nèi)業(yè)測(cè)圖精度，在每個(gè)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)均勻施測(cè)了8～10個(gè)質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)，對(duì)航測(cè)內(nèi)業(yè)測(cè)圖進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法如下:

①布設(shè)平面網(wǎng)或平高網(wǎng)，其航線(xiàn)跨度、控制點(diǎn)間基線(xiàn)數(shù)不超過(guò)表2規(guī)定。

區(qū)域網(wǎng)布設(shè)要求 表2

圖2 區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方式

②平高區(qū)域網(wǎng)一般沿周邊布設(shè)6～8個(gè)平高點(diǎn)，區(qū)域網(wǎng)中間布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，如圖2(a)所示。

③當(dāng)區(qū)域網(wǎng)的基線(xiàn)數(shù)大于10條而小于12條時(shí)，可采用如圖2(b)的區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方式。

④不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)，應(yīng)在凸角處增補(bǔ)平高點(diǎn)，凹角處增補(bǔ)高程點(diǎn)。但當(dāng)凹凸角之間距離超過(guò)2條基線(xiàn)時(shí)，凹角處亦應(yīng)布平高點(diǎn)，如圖2(c)所示。

(2)高程測(cè)量以經(jīng)外業(yè)檢測(cè)的航測(cè)內(nèi)業(yè)高程代替全野外測(cè)量高程

為了驗(yàn)證航內(nèi)高程能否滿(mǎn)足1∶500 DLG成圖精度要求，因試驗(yàn)項(xiàng)目的1∶500 DLG圖的高程，航測(cè)外業(yè)工序采用全野外高程測(cè)量方法測(cè)繪DLG高程注記點(diǎn)，后利用經(jīng)檢查通過(guò)后的空三加密測(cè)量平差成果，在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上恢復(fù)立體模型并采集外業(yè)測(cè)繪高程注記點(diǎn)的航測(cè)內(nèi)業(yè)高程，進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)并分析航測(cè)內(nèi)業(yè)的高程精度。

4 產(chǎn)品精度驗(yàn)證

4.1 空三加密精度檢查驗(yàn)證

(1)空三加密檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目共438個(gè)區(qū)域網(wǎng)中測(cè)量空三加密檢查點(diǎn)1027個(gè)，其中高程檢查點(diǎn)1027個(gè)，平面檢查點(diǎn)618個(gè)參與精度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

空三加密檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) 表3

(2)空三加密質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目438個(gè)區(qū)域網(wǎng)，像控點(diǎn)的外業(yè)測(cè)量質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)3843個(gè)，以采用GPS－RTK測(cè)量方法實(shí)測(cè)的質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)外業(yè)觀測(cè)值為真值，以航測(cè)內(nèi)業(yè)DLG立體測(cè)圖坐標(biāo)作為測(cè)量值，按高精度檢查中誤差計(jì)算公式進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

空三加密質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) 表4

通過(guò)表3及表4可見(jiàn)，空三加密網(wǎng)精度及采用空三加密網(wǎng)成果進(jìn)行航測(cè)內(nèi)業(yè)測(cè)圖的測(cè)點(diǎn)精度達(dá)到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求。

4.2 高程測(cè)量

對(duì)4個(gè)項(xiàng)目近6000余幅圖隨機(jī)抽取約60%的圖幅的高程注記點(diǎn)進(jìn)行航測(cè)內(nèi)業(yè)高程采集，共采集航測(cè)內(nèi)業(yè)高程點(diǎn) 181440個(gè) (其中鋪裝路面上約 71086點(diǎn))，后進(jìn)行航內(nèi)高程精度統(tǒng)計(jì)，以采用全站儀、GPSRTK或水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量的外業(yè)實(shí)測(cè)高程為真值按高精度檢查中誤差計(jì)算公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算得航內(nèi)高程中誤差為±10.2 cm(允許±17 cm);其中鋪裝路面上的點(diǎn)位高程中誤差為±7.8 cm(允許±15 cm)。其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

航內(nèi)高程精度統(tǒng)計(jì)表 表5

4.3 最終檢查測(cè)點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

采用全站儀對(duì)地形點(diǎn)、地物點(diǎn)進(jìn)行解析測(cè)量，檢查地物點(diǎn)、高程點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和高程中誤差，采用勘丈法量取地物間的關(guān)系距離，檢查其間距中誤差是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，地物點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表，以福建石獅項(xiàng)目為例，如表6所示。

從表6看出，1∶500 DLG測(cè)圖數(shù)學(xué)精度，包括平面及高程檢測(cè)、地物點(diǎn)間距誤差檢查均滿(mǎn)足《規(guī)范》中有關(guān)精度要求。

1∶500 DLG地物點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 表6

4.4 4個(gè)項(xiàng)目質(zhì)量檢驗(yàn)精度統(tǒng)計(jì)

山東、福建兩省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)檢查檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

質(zhì)檢站質(zhì)檢精度統(tǒng)計(jì)表 表7

4個(gè)航測(cè)項(xiàng)目均一次性通過(guò)兩省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站最終驗(yàn)收，其中青島城陽(yáng)航測(cè)項(xiàng)目和福建石獅航測(cè)項(xiàng)目成果被認(rèn)定為“優(yōu)”級(jí)品，另兩個(gè)項(xiàng)目成果為批合格。

5 結(jié)論

(1)1∶500比例尺航測(cè)項(xiàng)目像控測(cè)量采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)與空三加密代替全野外布點(diǎn)經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證達(dá)到規(guī)范要求。

平坦地區(qū)航測(cè)項(xiàng)目布設(shè)區(qū)域網(wǎng)，將整個(gè)測(cè)區(qū)劃分為若干個(gè)小區(qū)域，區(qū)域單元大小不大于4條航線(xiàn)，每條航線(xiàn)的基線(xiàn)數(shù)不超過(guò)12條，同時(shí)為保證像控點(diǎn)的外業(yè)測(cè)量精度，對(duì)每個(gè)像控點(diǎn)均進(jìn)行不同時(shí)段兩次獨(dú)立觀測(cè)，取平均值作為最終測(cè)量成果;同時(shí)為驗(yàn)證空三加密網(wǎng)的精度，保證內(nèi)業(yè)測(cè)圖精度，除在每個(gè)區(qū)域網(wǎng)布設(shè)2～3個(gè)空三加密檢查點(diǎn)外，特別地在每個(gè)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)均勻施測(cè)了8～10個(gè)質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)。經(jīng)過(guò)438個(gè)區(qū)域網(wǎng)的1027個(gè)檢查點(diǎn)和3843個(gè)質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)的驗(yàn)證，加密點(diǎn)的精度指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。與原全野外布點(diǎn)相比較可節(jié)約像片控制測(cè)量50%的工作量，節(jié)約像片控制測(cè)量時(shí)間1/2以上。

(2)在航片及航測(cè)各工序質(zhì)量嚴(yán)格滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范的前提下，經(jīng)檢測(cè)的航測(cè)內(nèi)業(yè)高程精度可達(dá)到0.5 m等高距地形圖對(duì)高程精度的要求。

采用航測(cè)內(nèi)業(yè)測(cè)量高程，配合外業(yè)檢測(cè)，即每幅圖隨機(jī)抽取50～60個(gè)高程點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)實(shí)測(cè)檢查航內(nèi)高程的正確性，通過(guò)對(duì)181440個(gè)航測(cè)內(nèi)業(yè)高程點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:在航片及航測(cè)各工序(如:外業(yè)像控，空三測(cè)量等)質(zhì)量嚴(yán)格滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范的前提下，航內(nèi)高程滿(mǎn)足0.5 m等高距地形圖對(duì)高程注記點(diǎn)精度的要求。

［1］張劍青，潘勵(lì)，王樹(shù)根.攝影測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

［2］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，1997.

［3］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展、思考與對(duì)策［J］.地理信息世界，1999(02).

［4］王瀟女，王日輝.淺談數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的意義及發(fā)展［J］.城市建設(shè)理論研究，2011(29).

［5］GB/T 18316－2001.數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評(píng)定［S］.

［6］GB/T 7931 －2008.1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范［S］.

［7］GB/T 7930 －2008.1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范［S］.