王慶國， 夏 凱，譚艷秋， 楊 浩，樊晨曲，朱澄均

（1.武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢430081）

基于全站儀和GPS-RTK的大比例尺數(shù)字測圖方式，在很大程度上實現(xiàn)了測圖工作的自動化，減輕了作業(yè)的勞動強度。但是，也存在一個共同的問題：雖然2種設備都能快速得到測點的高精度定位坐標并自動存儲記錄，但對于數(shù)字成圖所需的繪圖信息的自動采集和記錄，都還顯得無能為力[1]。如何高效、完整、準確、清晰地采集記錄點位的連接和描述信息，是一個令人頭痛的問題。

1 大比例尺數(shù)字測圖主流作業(yè)模式

目前，大比例尺數(shù)字測圖的作業(yè)模式大致可以歸為測與繪內外業(yè)一體和測與繪內外業(yè)分離2種。

根據(jù)文獻[2]～[7]的分析，內外業(yè)一體的作業(yè)模式通過在外業(yè)現(xiàn)場邊測邊繪，實現(xiàn)了測與繪內外業(yè)的一體化作業(yè)，并能及時發(fā)現(xiàn)錯誤、編輯修改。但由于增加了外業(yè)的工作量，降低了外業(yè)作業(yè)的效率；而且受設備電池續(xù)航能力的限制，環(huán)境適應性差。所以，這種作業(yè)模式目前很少采用。

而內外業(yè)分離的作業(yè)模式，由于外業(yè)作業(yè)效率高，環(huán)境適應性強，需要的設備和人數(shù)較少，作業(yè)人員容易掌握，成為目前大比例尺數(shù)字測圖的主流作業(yè)模式。但該作業(yè)模式需要通過編碼或繪制草圖的方法，在野外記錄相關的繪圖信息。

編碼法是根據(jù)一定的編碼規(guī)則，對每個碎部點輸入一個編碼，記錄測點的幾何關系和屬性，內業(yè)處理時由計算機進行編碼識別，并根據(jù)這些編碼自動繪制成圖。但編碼不能有效記錄點與點之間的連接關系，在測區(qū)地形復雜、通視不好、測量不連貫時，僅依靠編碼，內業(yè)處理非常困難。特別是出現(xiàn)錯誤時，難以發(fā)現(xiàn)和糾正。

繪制草圖的方法是在外業(yè)作業(yè)時，現(xiàn)場繪制地形草圖，來記錄相關的繪圖信息。內業(yè)作業(yè)時，通過人機交互，對照草圖進行測點連線和圖形編輯，這是目前大比例尺數(shù)字測圖采用最多的方法。這種作業(yè)方法，只要所繪草圖能夠清楚地記錄相應的繪圖信息，標注的點號與儀器中的點號正確對應，內業(yè)成圖就不容易出錯。但這種方法外業(yè)草圖的繪制工作量大，嚴重影響外業(yè)作業(yè)效率。在地形復雜、地塊分割破碎、地物分布雜亂的地區(qū)，草圖繪制尤其困難。而且，一旦草圖記錄的點號與儀器中的點號不對應，就很麻煩。

綜上所述，在不同的大比例尺數(shù)字測圖作業(yè)模式中，碎部點點位測量的精度和效率并無多大差別，決定整體作業(yè)效率和勞動強度的關鍵在于如何高效、完整、準確、清晰地記錄數(shù)字成圖的繪圖信息，這是目前數(shù)字測圖工作中還沒有有效解決的問題。

2 常規(guī)數(shù)碼影像用于繪圖信息記錄的可行性分析

2.1 數(shù)字成圖所需繪圖信息的特征

1）繪圖信息主要是一種定性描述的信息，不需要清楚的定量描述。譬如，屬性信息主要是記錄和反映所測量的碎部點“是什么”，或者“是什么類型”，而無需記錄諸如地物的面積多大、周長多長等定量信息。

2）繪圖信息中的點之間的連接信息，其實是對點間拓撲關系的描述，而不是一種剛性幾何關系的記錄。只需要清楚哪個點與哪個點相連，至于點的實際坐標是多少，2點之間的連線有多長，2點連線的方向如何等并不重要。

3）繪圖信息最基本的要求是完整、準確和清晰。完整性和準確性就是要保證數(shù)字成圖所需的繪圖信息的完備和正確，沒有遺漏和錯誤；而清晰性則以內業(yè)編輯時人眼可分辨為標準，只要能進行定性辨識即可。

圖1 外業(yè)草圖

2.2 常規(guī)數(shù)碼影像的特征

由上可見，數(shù)字成圖的繪圖信息并不需要嚴格的定量描述，能清楚地反映地形屬性和相鄰點間的連接關系即可。這使得借助常規(guī)的數(shù)碼影像記錄所需的繪圖信息，特別是地形復雜地區(qū)的繪圖信息成為可能。這里所說的常規(guī)數(shù)碼影像，指的是通過普通數(shù)碼相機拍攝的影像或視頻，具有如下特征：

1）影像是以一定的分辨率對一定場景范圍的再現(xiàn)式記錄，具有豐富而真實的紋理信息，對于分辨點位的屬性，認識地物地貌的形態(tài)特性非常方便和直觀。雖然影像本身沒有定位信息，但是它直觀地記錄了一定范圍內地物和地貌在空間上的分布狀況和起伏形態(tài)，這使得在內業(yè)編輯成圖的時候，能夠比較容易地提取出點之間的連接關系。

2）常規(guī)數(shù)碼影像的采集不需要專業(yè)化設備。隨著普通數(shù)碼相機的價格越來越低廉，分辨率越來越高，存儲容量越來越大，常規(guī)數(shù)碼影像的采集越來越方便，選擇合適的存儲卡，完全可以滿足相當范圍的外業(yè)影像采集的需要。另外，普通數(shù)碼相機作業(yè)靈活，可對同一地區(qū)進行多角度多分辨率拍攝，并可隨時查看拍攝的質量和效果。這就使得影像采集時，在拍攝內容和拍攝分辨率等方面的選擇余地越來越大，信息的獲取也可以達到充分全面。輔助一定的現(xiàn)場記錄和說明，就可大大減輕地形復雜地區(qū)現(xiàn)場草圖繪制的工作量和工作難度。

3 常規(guī)數(shù)碼影像輔助數(shù)字測圖的作業(yè)模式

根據(jù)大比例尺數(shù)字測圖中數(shù)碼影像采集的時機和用途等，大致可采取3種作業(yè)模式。

第1種作業(yè)模式，是在地形踏勘或先期的控制測量階段，對地形特別復雜、草圖繪制難度很大的區(qū)域，預先采集一些影像。在進行外業(yè)測量之前，首先通過這些影像或是多張相鄰影像的拼接，設計碎部測量的方案，大致標定出測量時的采樣點；然后把這些影像打印出來，在外業(yè)測量時，用于指導測量的實施，并在影像圖上隨時標明測量點號。這種作業(yè)模式，以影像作為基本的外業(yè)草圖，而且已經(jīng)把地形復雜地區(qū)測量的碎部點基本確定好了，外業(yè)測量時，只需按圖索驥地跑點，即使采樣點分布到幾個測站上完成，影響也不大。在影像質量滿足要求時，可以大大減少地形復雜地區(qū)現(xiàn)場草圖繪制的需要，明顯提高外業(yè)作業(yè)的效率。

第2種作業(yè)模式，是在碎部測量時，對草圖繪制有一定難度的地區(qū)，根據(jù)實際地形的復雜狀況和測量實施情況，有選擇地對該測站可控制范圍內的區(qū)域采集影像。這種作業(yè)模式以測站為中心，依據(jù)外業(yè)碎部測量的實際情況進行影像采集，具有明確的針對性。由于現(xiàn)有的常規(guī)數(shù)碼相機不具備對影像進行實時標注處理的能力，所以還需要全面繪制草圖，記錄點號，并注明每張影像包含的點號范圍。這種作業(yè)模式，對于減少外業(yè)工作量的作用雖然有限，但是在內業(yè)編輯成圖時，根據(jù)相關測區(qū)影像，配合外業(yè)繪制的現(xiàn)場草圖，可以最大限度地防止編輯中錯漏的發(fā)生，提高內業(yè)編輯的效率。

第3種作業(yè)模式，是在內業(yè)編繪的過程中，對草圖描述不清楚的地方，再去相關現(xiàn)場采集一些影像，以輔助成圖。這種作業(yè)模式中采集的影像針對性強，需要的影像采集量小，但由于影像的采集是在外業(yè)測量之后，所以對減少外業(yè)草圖的繪制量和提高外業(yè)測量的效率沒有幫助。在內業(yè)編輯成圖時，主要也是依據(jù)外業(yè)繪制的草圖進行，影像只在草圖記錄不清楚時采集，作為一種印證檢查的手段。這種作業(yè)模式對于提高測圖效率的價值不是很大。

4 實例分析

本課題組在湖北省黃岡地區(qū)某鎮(zhèn)1∶2 000數(shù)字地形圖測繪中，對本文所述方法進行了實驗。本次測區(qū)面積約為6 km2，主要是丘陵地貌，植被茂密，地物眾多而雜亂，地貌起伏變化明顯，陡坎溝壑縱橫。本次測繪采用全站儀以內外業(yè)分離的現(xiàn)場繪草圖方式進行。

由于現(xiàn)場地貌形態(tài)變化復雜，地物分布雜亂無章，轉點設站十分頻繁，外業(yè)草圖繪制的難度很大，致使整個外業(yè)作業(yè)的進度非常緩慢，開始每天完成的測量任務不到0.1 km2。在經(jīng)過最初2 d的測量后，實驗了數(shù)碼影像輔助的數(shù)字測圖方法，并根據(jù)地形復雜情況，分別采用了上述第1種和第2種作業(yè)模式。

圖2 a所示的區(qū)域地貌形態(tài)復雜，借助普通數(shù)碼相機采集該區(qū)域的合適影像作為草圖。首先通過內業(yè)處理，選擇出外業(yè)測量的碎部特征點（如圖2 a中紅點所示），在外業(yè)測量時，標定點號。實際測量若需要增加碎部點，可以直接在影像上標注。這種方法使用方便，大大降低了外業(yè)繪圖的難度和工作量，節(jié)省了找特征點的時間。而在圖2 b的情況下，雖然測區(qū)內地貌有一些起伏，地塊分割較多較破碎，但整體情況不算太復雜。因而根據(jù)實際情況，綜合采用了第1種和第2種作業(yè)模式。

圖2 常規(guī)數(shù)碼影像輔助的大比例尺數(shù)字測圖

根據(jù)實驗結果，通過靈活采用普通數(shù)碼影像輔助測圖之后，外業(yè)作業(yè)的效率明顯提高。在復雜地區(qū)的作業(yè)效率，由最初的每天不到0.1 km2提高到每天0.4～0.5 km2，成效顯著。

5 結 語

本文在分析繪圖信息和常規(guī)數(shù)碼影像信息特征的基礎上，提出了借助常規(guī)數(shù)碼影像記錄繪圖信息，輔助大比例尺數(shù)字測圖的方法。實驗證明，本方法對于降低地形復雜地區(qū)外業(yè)草圖繪制難度和工作量，提高數(shù)字測圖作業(yè)效率等具有明顯優(yōu)勢。當然，作為一種新方法，在如何優(yōu)化作業(yè)模式，如何進一步提高作業(yè)效率并降低成本等方面，還需要深入研究。

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