李 行，陳 朵

（1. 河南省地質礦產勘查開發(fā)局第四地質勘查院，河南 鄭州 450000）

山水林田湖草生態(tài)修復治理是近年來國家重點強調的生態(tài)文明建設的重要組成部分。南太行（鶴壁市淇縣）生態(tài)修復治理區(qū)內多為關停的采石礦山，由于持續(xù)多年的無序開采，礦區(qū)地形地貌遭到嚴重破壞，形成多處高陡平臺和危巖體，采用人工進行實地大比例尺測圖難度較大，部分高懸平臺無法實測，攀爬對人身安全也存在一定的威脅。傳統(tǒng)的外業(yè)人工測繪在作業(yè)效率、測圖精度等方面已難以滿足測圖的需求。無人機傾斜攝影測量技術是近年來興起的一種新型測繪手段，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限[1]，在獲取近地高分辨率遙感數(shù)據(jù)的同時，可進行三維建模和模型立體量測，已在城市三維數(shù)據(jù)獲取方面得到廣泛應用[2]。作為國際測繪領域的一項高新技術，傾斜攝影測量技術因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數(shù)據(jù)信息，在信息化測繪領域進行了諸多探索[3]。本文首先利用傾斜攝影技術在鶴壁市淇縣山區(qū)獲取高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)，然后通過內業(yè)在三維模型中提取地形圖要素進行制圖，最后利用外業(yè)實測控制點對內業(yè)提取信息的精度進行驗證[4]。

1 傾斜模型數(shù)據(jù)獲取

1.1 治理區(qū)位置

治理區(qū)位于河南省鶴壁市淇縣境內，地處北部太行山東麓和華北平原的過渡地帶，屬侵蝕剝蝕低山和剝蝕丘陵地貌，地勢總體北西部高、南東部低，地形起伏較大，區(qū)內溝谷較為發(fā)育，均為季節(jié)性溝谷，大部分溝谷內巖石裸露，第四系覆蓋層較少。由于氣候干旱，治理區(qū)內植被以草地和低矮灌木為主。

1.2 無人機參數(shù)

治理區(qū)采用飛馬D2000無人機，系統(tǒng)標準起飛重量為2.8 kg，標準荷載為200 g，續(xù)航時間為74 min。本次搭載D-OP3000 五鏡頭傾斜攝影模塊進行航測，可同時從垂直、前視、后視、左視、右視5 個不同視角采集影像數(shù)據(jù)，如圖1、表1所示。

表1 D-OP3000傾斜攝影模塊參數(shù)

圖1 無人機設備

1.3 內業(yè)數(shù)據(jù)處理與三維模型構建

航測數(shù)據(jù)經過原始數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預處理后，利用瞰景Smart3D 軟件，結合像控點數(shù)據(jù)和POS/GPS 數(shù)據(jù)進行空中三角測量，這是無人機影像內業(yè)處理的關鍵部分[5]。其目的是通過影像匹配提取連接點和部分地面控制點，將全部區(qū)域納入已知的控制點地面坐標系中，獲得每張影像的外方位元素和加密點的地面坐標。在空中三角測量精度滿足要求和空中三角測量關系模型無明顯錯誤后，可進行三維模型構建[6]。

2 基于傾斜模型數(shù)據(jù)制作地形圖

無人機航測生成的傾斜模型是一種直觀的三維數(shù)據(jù)，利用CASS 軟件的CASS 3D 插件功能可直接在模型上進行坐標提取、線段量測等操作，并在軟件繪圖界面同步等精度顯示。這種模式的視覺感受與現(xiàn)實世界非常接近，可通過拖拽、旋轉、縮放等操作清晰地判別地形要素，并以一種不同于傳統(tǒng)立體測圖的方式進行采集，可實現(xiàn)三維環(huán)境采集、二維環(huán)境同步顯示[7]。軟件界面如圖2所示?；趦A斜模型數(shù)據(jù)制作礦山大比例尺地形圖的主要原理為對根據(jù)現(xiàn)實地形生成的三維模型數(shù)據(jù)進行逆向推衍，描繪模型的過程就是“外業(yè)”數(shù)據(jù)采集的過程。

圖2 CASS 3D加載傾斜模型界面

2.1 測區(qū)內區(qū)塊的合理劃分

地形圖測繪應遵循先整體、后局部的原則。治理區(qū)內的地貌主要分為周邊原生自然地貌和中心區(qū)域人為破壞地貌，前者地形規(guī)整，繪制難度較低；后者地形切割，坎崖密布，繪制較為復雜。本文利用道路、坎崖線等特征線狀地物，將治理區(qū)分為若干個子區(qū)塊進行制圖。這種制圖方法的優(yōu)勢為：①復雜問題簡單化，提高了作業(yè)效率，子區(qū)塊內地形相對簡單，降低了繪圖難度；②最大程度地降低對計算機性能的要求，大范圍高密度的高程點數(shù)據(jù)同時參與模型和平面圖的三角網(wǎng)組網(wǎng)計算，對計算機的算力負荷較大；③繪圖過程容錯率高，將繪圖過程模塊化，一個區(qū)域模塊繪制不受其他區(qū)域因素影響。

2.2 高程點提取與等高線繪制

測繪等高線是地形圖測繪的核心步驟，等高線的精度很大程度上決定了地形圖的精度。考慮到實際操作的可行性和測圖精度要求，高程點的密度應結合地形情況適當選取。以治理區(qū)周邊一處原生山丘為例，首先以道路邊線為界，在模型上提取范圍線，并提取線上的高程數(shù)據(jù)；再利用CASS 3D插件“提取范圍內高程點”功能，提取模型上區(qū)塊范圍線內部的地表高程點，以5 m間距提取高程點；然后利用CASS軟件的“高程點生成數(shù)據(jù)文件”功能將范圍線上和內部的高程點生成一個DAT 格式的文本文件，建立DTM 模型（圖3）；通過放大觀察可知，DTM 三角網(wǎng)對地表的貼合程度較高，未發(fā)現(xiàn)明顯異常高程點（圖4）；最后刪除區(qū)塊外多余的三角形，存盤后根據(jù)三角網(wǎng)即可生成區(qū)域內等高線。

圖3 建立DTM模型界面

圖4 過濾三角形網(wǎng)界面

對于治理區(qū)內因石料開采而形成的高陡邊坡，上述方法同樣適用，特別需要注意的是，應提高區(qū)塊內的高程點密度，提取間距建議設置為1～2 m，如圖5所示。

圖5 高陡邊坡等高線繪制界面

2.3 線狀和面狀地物的提取

治理區(qū)內的線狀地物主要為道路邊線、溝渠邊線、擋土墻中線、地塊邊界和斜坡頂?shù)拙€等。對于這些要素可直接在傾斜模型上進行描線處理，在模型描邊的過程中應注意線段不能懸空或墜落，一般將視圖界面調整為側前（后）方觀測目標地物為宜，避免在平視、俯視甚至仰視視圖狀態(tài)下描繪模型上線狀地物。面狀地物在線狀地物的基礎上進行繪制，應詳盡表示治理區(qū)內渣堆、斜坡、平臺間的高陡石崖，對于林地、耕地、草地和荒地等也應準確繪制邊界和符號。

2.4 圖面要素的完善

傾斜模型數(shù)據(jù)提取完畢后，應補充圖名、圖例、比例尺、指北針、控制點、坐標系、里程網(wǎng)等其他必要的圖面要素。

3 精度分析

地形圖測繪完成后，需評定1∶500地形圖成果的數(shù)學精度[8]。為檢驗基于傾斜模型制作地形圖的精度，本文采用RTK技術對治理區(qū)內的擋土墻工程進行了擋土墻頂面中線采集，并采集了一些測區(qū)內不同高度的散點，以這些實地測量的檢查點坐標作為地形圖精度的檢核點，對其進行精度驗證。

精度分析實地測量30個坐標點，主要從平面精度和高程精度兩個方面進行精度驗證，其中檢測的擋土墻位置如圖6所示。

圖6 黑色加粗的擋土墻

平面精度檢測采用描圖法，首先關閉模型窗口，在右側平面制圖區(qū)順序連接實測的擋土墻拐點坐標點位；然后打開模型窗口，在模型內對相應位置的擋土墻進行中線描線，在右側平面圖上同步生成擋土墻中線線段；最后對比實測擋土墻中線和模型描線的擋土墻中線。結果表明，兩條線段幾乎重疊，誤差均在10 cm 以內，約90%的擋土墻長度范圍內偏差集中在5 cm以內。

圖7 高程檢測點精度分布

根據(jù)平面精度和高程精度的分析結果，對照GB/T 33176-2016《國家基本比例尺地圖1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖》的相關規(guī)定可知，精度滿足1∶500比例尺地形圖的精度要求。

4 結 語

本文具體介紹了利用無人機傾斜模型制作礦山大比例地形圖的內業(yè)作圖流程。傾斜攝影測量方法計算土方量普遍適用于各種地形和工程項目，計算精度可靠[9]，可為南太行地區(qū)的礦山生態(tài)修復治理工作提供有力的測繪技術支撐；同時該方法具有省時高效的特點，適用于類似區(qū)域快速準確測繪大比例尺地形圖。