王志豪

(深圳市勘察測繪院有限公司,廣東深圳 518028)

低空數(shù)碼航測技術(shù)在山地區(qū)域制作1∶2 000數(shù)字線劃圖的試驗研究——以貴陽高新區(qū)核心扎佐片區(qū)為例

王志豪?

(深圳市勘察測繪院有限公司,廣東深圳 518028)

低空航測技術(shù)以其靈活、高效、精準(zhǔn)和成本低的特點,能夠快速獲取影像并完成地形圖的測繪,目前已成為國內(nèi)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段。基于低空航測技術(shù)的特點,以貴陽高新區(qū)核心區(qū)的扎佐片區(qū)為試驗點進(jìn)行測繪,通過利用GNSS測量方法實施基礎(chǔ)控制點平面測量和高程擬合;采用光電測距三角高程測量;采用GNSS RTK作業(yè)測量控制點的高程;采用低空數(shù)碼航測結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)(DPGrid)等全數(shù)字化航測生產(chǎn)技術(shù)平臺完成了地形測量作業(yè)。結(jié)果表明,對以山地與高低為主的地區(qū)進(jìn)行航測,完成1∶2 000地形圖的測繪任務(wù)中可以凸顯低空航測技術(shù)優(yōu)勢。

低空數(shù)碼航測;1∶2 000地形圖;測繪;扎佐片區(qū)

1　引 言

我國經(jīng)濟(jì)的繁榮帶動區(qū)域高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,近年來,許多高新產(chǎn)業(yè)園也在大興土木。中部城市建設(shè)高新產(chǎn)業(yè)園,受到土地資源條件的限制,選址在地形較為復(fù)雜的山地區(qū)域進(jìn)行建設(shè)。開展地形圖測繪工作成為建設(shè)高新產(chǎn)業(yè)園的必然選擇。由高分率的數(shù)碼相機(jī)、動力三角翼、姿態(tài)感應(yīng)控制云臺等組成的低空數(shù)字航空攝影系統(tǒng),較傳統(tǒng)的航空攝影測量方法更能克服天氣、地形等客觀因素的限制,可便捷地獲取高分辨率數(shù)字影像,繪圖更為高效、便捷、節(jié)約成本,適合山地復(fù)雜地形的小范圍大比例尺地圖的快速測繪和更新。依托貴陽高新區(qū)規(guī)劃局委托的高新區(qū)核心區(qū)扎佐片區(qū)1∶2000地形圖測繪,開展對山地區(qū)域低空數(shù)碼航測的應(yīng)用研究。

2　低空數(shù)碼航測的內(nèi)容及技術(shù)路線

2．1試驗研究的內(nèi)容

(1)低空數(shù)碼航測攝影系統(tǒng)在山地區(qū)域的航空攝影;

(2)基于小像幅高分辨率數(shù)碼影像控制點的測量、空中三角測量、例題數(shù)字測圖、外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測、地形圖繪編;

(3)GNSS測量方法、GNSS RTK技術(shù)在1∶2 000航測成圖中的應(yīng)用;

(4)航測技術(shù)的路線和技術(shù)方法總結(jié);

(5)低空數(shù)碼攝影系統(tǒng)在山地區(qū)域制作1∶2 000地形圖航測成像及成果分析。

2．2試驗研究的技術(shù)路線

航測試驗項目利用GNSS測量方法進(jìn)行基礎(chǔ)控制點平面測量及高程擬合,采用光電測距三角高程測量及GNSS RTK作業(yè)測量控制點的高程;地形測量采用低空數(shù)碼航測結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)(DPGrid)全數(shù)字化航測生產(chǎn)平臺進(jìn)行作業(yè)。此次測繪的基礎(chǔ)控制網(wǎng)測量包含了13個一級平面控制點和光電測距三角高程測量30．2 km。測繪范圍50 km2,繪制1∶2 000地形圖約54幅。低空數(shù)碼航測流程如圖1所示。

圖1　貴陽高新區(qū)扎佐片區(qū)低空航測流程

(1)基于DPGrid的像片控制點初選,制作數(shù)字刺點片。

(2)像控測量。

(3)基于DPGrid的空中三角測量。

(4)內(nèi)業(yè)數(shù)字化測圖(采用立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,生成圖形文件。輔助軟件:蘇武現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z影測量軟件)。

(5)外業(yè)測量無法利用航攝影像圖成果的地區(qū)采用野外實測。

(6)形成1∶2 000數(shù)字化地形圖(輔助軟件:南方CASS7．1深勘版軟件進(jìn)行)。

3　作業(yè)依據(jù)和各工序技術(shù)要求

此次試驗的低空數(shù)碼航測依據(jù)《城市測量規(guī)范》、《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》、《國家三、四等測量規(guī)范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》、《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》、《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 24356-2009)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

試驗區(qū)按山地、高地1∶2 000地形圖精度要求執(zhí)行。各像控點通過無人機(jī)在實地拍攝遠(yuǎn)景及近景照片;內(nèi)外業(yè)數(shù)字化測圖采用蘇武現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z影測量軟件按像對進(jìn)行地物、地貌測繪,按照測區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制定測圖過程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),以方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與編輯。采取先進(jìn)行立體模型的判讀測圖,然后外業(yè)調(diào)繪再回內(nèi)業(yè)補(bǔ)測、編輯,即先內(nèi)后外的方法。采集的數(shù)據(jù)第一時間傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中,所有像控點數(shù)據(jù)均利用Excel軟件編輯整理,經(jīng)質(zhì)檢人員檢查無誤后才能編入成像控點成果表。根據(jù)外業(yè)記錄的相片編號,在數(shù)字刺點片上插入相應(yīng)的點位照片進(jìn)行編輯,并對點位情況進(jìn)行描述。

4　航空攝影及成果分析

4．1試驗區(qū)概況

貴州省修文縣扎佐鎮(zhèn),項目規(guī)模50 km2,位于貴陽市區(qū)北郊,距離市中心40多千米。測區(qū)位于北緯26°46′～26°55′,東經(jīng)106°40′～106°45′之間。測區(qū)呈長方形,南北長東西短。測區(qū)內(nèi)的居民地比較分散,主要位于扎佐鎮(zhèn)老街大堡村,總?cè)丝诩s4萬;地形以山地和高山地為主,地勢南北高中間低;水系不發(fā)達(dá),僅有3個小型水庫分布在測區(qū)北、南及東部,無大型河流。耕地較少,90%以上為旱地,少量水田;農(nóng)作物以玉米、土豆為主,有少量經(jīng)濟(jì)作物。該區(qū)域工業(yè)不發(fā)達(dá),少量工廠分布在南部,主要是制藥行業(yè)。交通以南北走向的渝黔鐵路、210國道、G75高速公路為主,連接各居民點的道路基本為簡易公路,地形較為復(fù)雜。采用無人機(jī)低空數(shù)碼航測技術(shù),可以從分發(fā)揮其優(yōu)勢,能夠快速獲取影像并完成所需比例尺的地形圖測繪。

4．2航空攝影及成果

試驗項目選用小型無人機(jī),續(xù)航能力大于3 h,具備4級風(fēng)力條件下安全飛行能力,并帶有衛(wèi)星導(dǎo)航定位儀,所有飛行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛婵刂普?。采用佳?D MarkⅡ數(shù)碼相機(jī),校檢精度滿足:主點坐標(biāo)中誤差小于10 μm,主距中誤差小于5 μm,畸變差方程系數(shù)擬合后,殘余畸變差不大于0．3像素。飛行路線根據(jù)測區(qū)范圍線適當(dāng)外擴(kuò),預(yù)設(shè)航帶20個并傳輸?shù)綄?dǎo)航軟件中,實時控制飛行路線。航內(nèi)方向在范圍線處外擴(kuò)4條基線,航間方向在范圍線處外擴(kuò)0．5條航線,起降場地位于貴鋼異地搬遷項目施工區(qū)內(nèi),該區(qū)域剛完成場地平整,無干擾及安全隱患。扎佐片區(qū)航測全景如圖2所示:

圖2　貴陽扎左片區(qū)航測全景圖

飛行影像質(zhì)量層次分明,反差適中,色調(diào)柔和,光線良好,無云、煙、反光和污點等,航片影像無普遍模糊、重影等現(xiàn)象;航向重疊度為85%,旁向重疊度為35%,滿足內(nèi)業(yè)要求。

5　像控測量

5．1像控點布設(shè)與選剌

試驗項目在航測影像初步處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行像片控制選點,選出348個像控點,均為平高點。且滿足以下條件:

(1)像控點的判點精度為圖上0．1 mm,點位目標(biāo)選在影像清晰的明顯地物上,有利于判刺和立體測量。一般選在交角良好(30°～150°)且高程起伏較小的細(xì)小線狀地物交點、原始影像中小于0．2 mm的點狀地物中心等;

(2)以線狀地物的交點為主,點位目標(biāo)選在高程起伏較小且面積大的地方;

(3)選刺的點位目標(biāo)均能轉(zhuǎn)刺到像片上;

(4)充分考慮滿足GNSS觀測方法聯(lián)測像片控制點的點位觀測條件;

(5)像片控制點布設(shè)在在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi),布設(shè)的像片控制點能盡量公用,控制點距像片邊緣大于150像素(即大于像片寬度的4%)。航線按中心線布設(shè)且旁向重疊過大時,在距方位線1．5 cm以上處選出公用點時,不分別布點,否則分別布點;

(6)平地上的像片控制點按區(qū)域網(wǎng)布點,每個區(qū)域網(wǎng)中布設(shè)不少于20個檢查點。根據(jù)成圖比例尺、地面分辨率、測區(qū)地形、攝區(qū)劃分、圖幅分布等情況,采取區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案。區(qū)域網(wǎng)的大小和像片控制點之間的跨度以能夠滿足空中三角測量精度要求為原則,主要依據(jù)成圖精度、航攝資料的有關(guān)參數(shù)及對系統(tǒng)誤差的處理等多因素確定,本測區(qū)布設(shè)為一個區(qū)域網(wǎng)。

(7)受地形等條件限制時,采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點:凸出處和凹進(jìn)處均布設(shè)平高點,區(qū)域網(wǎng)內(nèi)無像片重疊不合要求的航線和像對,無大片云影、陰影等影響內(nèi)業(yè)加密工作的像對。

選擇348個像控點(其中20個為檢查點)進(jìn)行數(shù)字刺點片制作,每點均按照技術(shù)設(shè)計書要求制作成Word格式的數(shù)字刺點片,含像控點編號(P+像片號+流水號,檢查點為J+流水號),遠(yuǎn)景及近景圖像,同時對影像進(jìn)行初步處理后,提取像控點的概略坐標(biāo)供野外實測參考。

5．2空中三角加密測量

空三加密前,對數(shù)字影像的格式轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)和旋轉(zhuǎn),對航帶進(jìn)行了整理,剔除掉部分大面積植被航片進(jìn)行預(yù)處理,余下1 488張航片作為測區(qū)加密使用。采用數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)(DPGrid)的自動空三模塊DPGrid．AT進(jìn)行相對定向,航片上加密點在50個以上并盡可能均勻分布,對不穩(wěn)定的加密點進(jìn)行刪除,對困難區(qū)域進(jìn)行新增加密點。通過大量高精度、高強(qiáng)度的加密點進(jìn)行模型連接,增加了模型連接強(qiáng)度,以減小控制點數(shù)較少帶來的負(fù)面影響。

對整個加密區(qū)1 468個航片模型進(jìn)行統(tǒng)計,殘余上下視差按區(qū)間統(tǒng)計如表1所示。

航片模型限差區(qū)間統(tǒng)計　表1

模型連接較差限值按式(1)和式(2)計算:

平面位置較差:

式中:m為航攝比例尺分母;f為航攝儀焦距;b為像片基線長度,式中△S,△Z以m為單位。

本測區(qū)解算的平均地面分辨率約為0．146 m,對應(yīng)的航攝比例尺分母約為22 839,航向重疊度為85%,航間重疊度為35%。經(jīng)計算,模型連接的平面位置較差限差△S約為0．685 m,模型連接的高程較差限差△Z約為2．708 m。

采用DPGrid．BA平差模塊直接計算所得為模型連接空間較差,即經(jīng)平差計算,模

高程較差:型連接空間較差中誤差為0．299 m,模型連接空間較差最大為0．677 m(小于限差的空間距離2．793 m,符合規(guī)范規(guī)定要求)。

6　內(nèi)業(yè)數(shù)字化測圖

數(shù)字化測圖采用“先內(nèi)后外”的方法,先進(jìn)行立體模型的判讀測圖,然后外業(yè)調(diào)繪再回內(nèi)業(yè)補(bǔ)測、編輯,并輔以蘇武現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z影測量軟件按像對進(jìn)行地物、地貌測繪,按照測區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制定測圖過程數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),以方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與編輯。

數(shù)據(jù)的采集按內(nèi)業(yè)立體模型定位、外業(yè)定性的原則進(jìn)行采集。每個像對均經(jīng)定向和測圖檢查后交編輯工序作業(yè)。每個像對測圖完成后與相鄰像對接邊。接邊差在限差以內(nèi)的各改1/2,超限的應(yīng)查明原因后再作處理。采集精度:地物平面采集誤差小于0．2 m。高程注記點切讀兩次,讀數(shù)較差不大于0．3 m時,取中數(shù)注記至0．1 m。

7　外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測

外業(yè)實地調(diào)繪在原圖上的地形地物的基礎(chǔ)上,檢查糾正內(nèi)業(yè)錯繪的地物、地貌。調(diào)繪航測區(qū)域內(nèi)樓層、電線桿性質(zhì)、植被、各種地理名稱(包括地名、單位、街道、居民地、河流等)等所有地物的性質(zhì)。在外業(yè)調(diào)繪的過程中適當(dāng)改正屋檐、量測田坎高度,調(diào)查河流水渠的流向,逐一實地核實農(nóng)用地、小蓄水池等,并現(xiàn)場記錄所有調(diào)繪成果。采用GNSS RTK測量方法對新增的地物及影像有陰影或遮擋內(nèi)業(yè)測不到的地物,進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測。

8　地形圖編繪與成圖

運用南方測繪公司CASS7．1深堪版軟件進(jìn)行地形圖的編繪和成像工作。通過調(diào)繪與補(bǔ)測,記錄對應(yīng)編號;外業(yè)測量在現(xiàn)場對像控點進(jìn)行詳細(xì)記錄,對拍攝到的建筑物特征點都量測建筑物高度,而陡坎和圍墻特征均量測其比高。在數(shù)據(jù)采集過程中若有未滿足的部分,在航測成像的編輯中應(yīng)予以補(bǔ)充修改或補(bǔ)測。立體影像清楚的地物地貌元素測繪做到無錯漏、不變形、不移位采集,對立體影像不夠清晰的地物地貌元素也盡可能的采集,并做出標(biāo)記,由外業(yè)人員實地進(jìn)行核實、定位及補(bǔ)測工作。對于有植被覆蓋的地表,當(dāng)只能沿植被表面描繪時,加植被高度改正;在樹林密集隱蔽地區(qū),依據(jù)野外高程點和立體模型進(jìn)行測繪。

在地形圖繪編過程中嚴(yán)格遵循1∶2 000地形圖圖式符號按照GB/T 20257．1-2007《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》要求。測圖接?xùn)|、南圖邊,地形圖圖幅接邊的接合差不大于平面、高程中誤差的2 2倍。小于該限差時平均配賦,保持地物、地貌相互位置和走向的正確性。等高線接邊差不大于1個基本等高距。被覆蓋的隱蔽地區(qū)等高線的接邊誤差按上述限差規(guī)定放寬0．5倍。測區(qū)按照50 cm×50 cm標(biāo)準(zhǔn)分幅,共計1∶2 000地形圖54幅;圖號按照圖框左下角千米數(shù)編號,X坐標(biāo)在前以短線連接Y坐標(biāo),如“2 969．0 -373．0”,圖名以圖幅內(nèi)主要單位或地名命名,如“扎佐老街”、“高潮水庫”等。

高新區(qū)核心區(qū)扎佐片區(qū)測區(qū)按照50 cm×50 cm標(biāo)準(zhǔn)分幅,共計1∶2 000地形圖54幅,測繪圖幅結(jié)合表如圖3所示:

圖3　高新區(qū)核心區(qū)扎佐片區(qū)1∶2 000地形圖測繪圖幅結(jié)合表

9　分析總結(jié)

9．1存在的問題和分析

(1)因為部分影像有陰影或遮擋,從而導(dǎo)致內(nèi)業(yè)測不到這部分地物。對這部分地物,我們外業(yè)進(jìn)行了補(bǔ)測,地物補(bǔ)測采用GNSS RTK測量方法。

(2)非量測型相機(jī)的局限

本次航攝采用的是非量測型相機(jī),非量測型相機(jī)在高程精度方面存在一定的局限性,因此在以后的無人機(jī)航測工作中如果能夠采用量測型相機(jī),將能極大地提高地物高程精度,減少部分工作,提高工作效率。

(3)無人機(jī)飛行平臺穩(wěn)定性問題

無人機(jī)飛行平臺在工作中容易收到風(fēng)或者機(jī)身抖動的影響,造成部分姿態(tài)角超限,因此在以后的工作中,將采用增加云臺的方法,來提高無人機(jī)飛行平臺的穩(wěn)定性。

9．2總結(jié)

貴陽高新區(qū)核心區(qū)扎佐片區(qū)單位面積內(nèi)模型數(shù)較多,采用了多機(jī)、復(fù)核的方式快速高效生成了大量高精度和高強(qiáng)度的模型連接點。雖存在無人機(jī)航片有畸變較大的情況,但通過空三加密可以矯正或提高成果的精度。而外業(yè)補(bǔ)測則彌補(bǔ)了局部地區(qū)控制點不足的缺陷。試驗對貴陽高新區(qū)核心區(qū)扎佐片區(qū)地形圖測繪成果資料的內(nèi)業(yè)檢查和外業(yè)抽查,在平面坐標(biāo)選取190個點進(jìn)行比較,較差最大值為1．0 m(限差±3．0 m),地形圖平面位置中誤差為0．52 m(限差±1．5 m);高程選取164個點進(jìn)行比較,較差最大值為1．0 m(限差2．66 m),高程中誤差為0．5 m(限差±1．33 m)。工程1∶2 000地形圖圖面表示及數(shù)學(xué)精度、基礎(chǔ)控制網(wǎng)及像控點測量精度、空三加密成果,均滿足設(shè)計書和規(guī)范的要求。

實踐證明,對以山地與高低為主的地區(qū)采用全數(shù)碼攝影測量技術(shù)測繪地形圖完成1∶2 000地形圖的測繪任務(wù),能夠有效地提高工作效率,減少外業(yè)的工作的強(qiáng)度和壓力,與傳統(tǒng)的作業(yè)模式相比,成果質(zhì)量提升明顯,且具跨越范圍較大,這為地形圖測繪工作提供了更加有效和快捷的測繪方法,可以凸顯低空航測技術(shù)優(yōu)勢。

[1] 周軍,龍盈,王發(fā)艷．低空數(shù)碼航空攝影測量像控點的布設(shè)及構(gòu)網(wǎng)[J]．地礦測繪,2015(31):35～36．

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Low-altitude Aerial Digital Technology to Produce 1∶2 000 Experimental Study of DLG in Mountainous Area——With the High-tech Zone Core Zazo Area Case

Wang Zhihao

(Shenzhen Geotechnical Investigation&Surveying Institute Co．,Ltd．Shenzhen 518028,China)

With flexible,efficient,accurate and low cost,low altitude aerial technology to quickly acquire images and complete topographic map of the mapping,now it has become an important means of national spatial data acquisition．Based on these characteristics at low altitude aerial survey techniques to Zazo mapping the area which is the core of Guiyang High-tech Zone for the test points．The test measured by using the method of GNSS-based measurement and control point elevation plane fitting;opto-range measurement for triangulation;job using GNSS RTK survey control point elevation;the use of low-altitude digital aerial photography combined with digital measuring grid system(DPGrid)and other all-digital production technology platform aerial topographic survey work completed．The results show that for high and low mountainous areas based aerial survey,which finished 1∶Topographic mapping mission in 2000 to highlight the advantages of low-altitude aerial survey techniques．

low-altitude aerial digital;1∶2000 topographic map;mapping;zazo area

1672-8262(2016)01-48-05

P231

B

?2015—09—01

王志豪(1978—),男,高級工程師,主要從事工程測量、3S應(yīng)用等技術(shù)工作。