基于倾斜摄影测量的溶丘洼地高原区地形图测绘应用研究

王小东

(三赢土地房地产评估咨询股份有限公司 海南海口 570100)

在一系列的高原地区的地形测量中，由于气候复杂、海拔高、地理环境复杂，翻山越岭、背扛监测设备、日夜蹲守勘测的传统测量方式明显无法适应现阶段地形测量工作的实际需求，因此造成了诸如地籍档案简略、地理数据粗糙、人员素质低下等顽疾[1]。所以，采用基于倾斜摄影测量技术的低空无人机航测系统来获取、更新地形图及地理信息数据已经取代了纯人工采集测量数据，成为目前地形测绘的主要技术手段[2]。倾斜摄影测量技术是近年来随着航空摄影技术的进步与创新应运而生的一项高新技术。通过在飞行平台上搭载先进的传感器，在低空从倾斜、垂直等不同角度对地面进行摄影测量，从而获取较为完整精确的地面高分辨率航测影像信息[3]。该文基于倾斜摄影测量技术，采用EPS三维测图系统采集项目区地形数据，最终形成1∶500数字地形图。

EPS三维测图系统是EPS地理信息工作站研发的多源多模一体化采编系统。系统提供基于立体像对、正射影像、全景影像、实景三维模型、点云等数据的二三维一体化高效采编工具，直接对接基础地形测绘、三维不动产测量、自然资源调查等专业应用[4]。通过三维测图系统测得的数字地形图精度可达到厘米级，地形图的高程精度甚至可以接近平面坐标精度水平[5]。

该文主要结合贵州瓮安经济开发区青坑基础化工区1∶500 地形图测量项目，采用无人机倾斜摄影测量重点完成瓮安经济开发区青坑基础化工区1∶500地形图航测工作以及像片调绘工作。

1 项目概况

根据国家相关要求，需要重新开展融合土地利用规划和城乡规划的国土空间规划的编制工作，县级国土空间规划是国土空间规划的重要组成部分，是落实国家、省级、市级空间规划的关键环节和主要载体，兼具保护和发展的属性。对政府，县级国土空间规划应是统一行使所有国土空间用途管制的法定依据；对于市场，县级国土空间规划是协调保护和发展的公共政策，是全域国土空间开发和保护的总监图，为市场提供明确指引；现行总规逐渐无法适应当前的发展需求。结合瓮安经济开发区青坑基础化工区的实际情况，该项目测量范围包含青坑基础化工区（约11 km2）所有地形地貌情况，为接下来的瓮安经济开发区控制性详细规划提供1∶500基础地形资料奠定基础。

1.1 任务区概况

项目区地处云贵高原第二阶梯，位于乌江中游，乌江横贯北部，黔中北腹地，属黔中北部溶丘洼地高原区，中部平缓、地势东南高、西北低，最低点海拔479 m，最高处海拔1 567 m，平均海拔1 028 m，区内地貌复杂多样。

1.2 像控点布设

像控点的布设与点位的选择应保证其在内业刺点中影像清晰且易于辨别，为空三加密过程中的相片刺点提供便利，像控点常选取在地面标志的角点、明显地物的拐点、建（构）筑物的角点等或直接选取较小的影像中显示为点状要素的地物中心[6]。在空三加密中，像控点分为高程点、平面点、平高点、高程检查点等。该项目主要以平高点为主，采取区域网布设方案。区域网的大小和像控点之间的跨度以能满足空中三角测量精度要求为原则。此次像控点具体布设方案为：在区域网最后一条航线垂直于航线方向和第一条航线且间隔一条航线上分别布设一排平高控制点，各条航线之间每隔5 条基线就布设平高控制点，并在区域网不规则处适当增加平高控制点。

2 作业方法及流程

无人机低空航摄技术主要包括准备工作、外业航摄及像控点测量、内业成图和外业调绘这5个阶段，具体如下。（1）准备工作：收集资料、现场踏勘、分析资料、技术设计；（2）像控点测量：像控点布设、像控点测量、资料整理；（3）航空摄影；（4）内业成图：影响畸变改正、空三加密、立体测图、内业粗编；（5）外业调绘：地物补测、属性调查、地名调绘、最后内业编辑。

2.1 像控点测量

像控点测量采用基于千寻网络RTK 测量方法进行施测，每个像控点在架设三脚架对中基础上均测量10 次，并通过测量手簿自带工具进行坐标平差，最终得到较为精准的像控点坐标。

2.2 航空摄影

此次航摄作业采用飞控平台自带的开源高分辨率地球影像作为航线设计用图，航摄高度设计以公开的全球30 m 精度DEM 作为依据。根据无人机航空摄影测量规范，综合任务区的地形地貌条件、考虑基高比、测图精度及等高距，结合成本、效率、效果等因素，确定此次航摄地面分辨率（GSD）为5 cm。在航摄的过程中根据任务区地形起伏进行分区设计，每个任务分区之间根据任务区地形起伏相对应设计不同相对航高。航空摄影的航高直接与地面分辨率（GSD）相关，其数学关系满足正相关，如图1所示。

图1 地面分辨率与航高关系图

式（1）中：a为像元尺寸；h为飞行高度；GSD为地面分辨率；f为镜头焦距。

通过计算分析，该项目相对飞行高度确定为：地面分辨率=5 cm，相对飞行高度=150 m。

2.3 空三加密

空三加密：根据野外实测的少量像控点，通过空三软件进行控制点加密，求得加密点的平面坐标和高程的测量方法[7]。

加密区域概况与精度叙述如下。（1）空三加密软件：全数字摄影测量系统Postflight Terra 3D；（2）平面控制点共23 个，其中包含16 个定向点，7 个检查点；（3）高程控制点共23 个，其中包含16 个定向点，7 个检查点；（4）空三加密精度统计：X方向平均值=±0.014，Y方向平均值=±0.016，Z方向平均值=±0.190；X方向最大值=±0.043，Y方向最大值=±0.044，Z方向最大值=±0.583；X方向中误差=±0.019，Y方向中误差=±0.020，Z方向中误差=±0.240；平面（S）中误差=±0.027，平面（S）差最大=±0.050。

2.4 立体测图

该项目采用EPS三维测图系统，依据实景三维模型并辅于外业调绘数据采集任务区地形等高线及所有地物要素。其中，地形要素采集按南方CASS成图系统软件的数据标准。EPS倾斜摄影三维测图支持三维实景模型同步生成正射影像，在没有DOM数据的情况下也能够实现正射与模型同步，同时保证分辨率不失真。在三维实景模型上添加多个不同高程的水平切片，并将模型轮廓映射到二维视图窗口进行测图，不仅满足建筑物不同楼层不同轮廓的矢量采集，更是提高了建筑物的采集精度。该系统自动提取高程点与生成等高线，在有植被覆盖的区域，根据调整倾斜模型上生成的三角网与地形表面的贴合程度来修改错误高程点，使提取出来的高程点更加吻合地形的变化，从而得到精确的等高线。

2.5 像片调绘及地形图精编

2.5.1 像片调绘

（1）外业补测、补调的内容一律以红色注记表示在图纸上；对可舍去不表示的地物和已拆除的建筑物，均在外业调绘图上做删除标记，清晰地将外业定性表示和房檐改正等内容表示出来。（2）该项目测绘的地貌要素、地物均在外业实地进行调绘，对内业测图时遗漏、判定不准、看不清的地物，均在野外补测、补调。外业调绘的内容清晰易读地表示在图上，各处注记位置恰当，准确无误，书写工整。（3）各种现状地物，如排水边沟、国防或通信光缆、旧路的波形护栏、盖板沟等均实测其结构物的走向、位置、长度。（4）调绘图的数据处理统一采用南方Cass专用软件进行图形编辑和数据处理。

2.5.2 地形图精编

（1）最终地形图的精编工作统一采用南方CASS专用软件进行数据编辑。（2）图形编辑的注记、符号、线宽、线型等执行《国家基本比例尺地图图式 第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图图式》（GBT 20257.1—2007）的规定。（3）内业根据野外调绘和立体测图成果，在计算机上进行图形编辑和房檐改正。根据外业调绘的检校数据进行相关检查，超限的部分反馈至外业进行处理，补绘新增地物。（4）在立体测图采集的等高线基础上做适当编辑，使等高线走向合理，线条光滑，避免抖动，微小地貌不做等高线表示，等高线不穿越密集居民地。当梯田坎坡脚与坡顶间宽度大于1 m 时，其宽度依比例尺表示。梯田坎过密，两坎间距离小于4 m时不表示。（5）碎部点高程注至0.01 m，碎部点的间距为10～15 m。（6）数字注记及汉字注记根据外业调绘图按图式表示，地形图各种要素之间按《国家基本比例尺地图图式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图图式》（GBT 20257.1—2007）要求合理配置。

3 精度分析及成果评价

3.1 精度分析

倾斜摄影测量的误差主要来源于像控点布设、影像质量、影像重叠度和畸变[8]，其精度分析是将从实景三维模型中提取每个检查点对应位置的模型坐标与检查点的测量坐标做对比进行精度评估[9]。为保证测图精度符合要求，在测区内均匀布设检查点20 个，并采用网络RTK在现场对检查点测量10次并进行平差，得到较为精准的检查点坐标，检查点从JH01～JH20 进行编号。表1为精度统计结果。

表1 精度统计表

从表1 中可知，将20 个检查点在实景三维模型上的坐标与对应位置实际测量的坐标进行对比后得出，X方向中误差=±0.032 m，Y方向中误差=±0.037 m，Z方向中误差=±0.211 m；平面中误差=±0.049 m，高程中误差=±0.211 m。均符合《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》（GBT 7930—2008）中1∶500比例尺高原山区的精度要求。

3.2 成果评价

控制和地形图测绘工作结束后，进行“两级检查一级验收”工作，并通过业主组织的专家评审验收，做出以下检查结论：该项目测绘成果符合规范及设计要求控制测量部分按规程操作，精度良好，资料齐全；地形图测绘外业部分，数学精度良好，地物表示合理，图式符号运用正确，地理景观描述恰当，满足规范及设计要求；总体质量为合格，能满足下工序作业前的要求。

4 结语

该文利用倾斜摄影测量技术完成了贵州瓮安经济开发区青坑基础化工区11 km2的1∶500 地形图测绘，平面中误差、高程中误差、成图精度均满足相关要求。基于倾斜摄影测量技术对复杂地形地貌的溶丘洼地高原区进行无人机航摄，在提高了测量的作业效率、数据精度、作业安全水平的同时也节省了大量人力物力，并解决了传统测量手段在高原复杂地形获取三维地理信息能力不足的问题。通过项目实践表明，基于倾斜摄影测量技术的无人机航测系统可满足溶丘洼地高原区的大比例尺地形图测绘项目的需求。

利用无人机倾斜摄影测量技术在溶丘洼地高原区大比例尺地形图测绘过程中也存在着以下技术难点：一是黔中北溶丘洼地高原区地形起伏较大，山峰林立，常年有植被覆盖，精准的地表高程数据获取困难；二是倾斜摄影测量往往数据量较大，对计算机软硬件配置要求高，内业数据处理难度大，作业辅助工具成本较高。这些不足还需在往后的倾斜摄影测量技术的发展中不断地改进和完善，使得倾斜摄影测量技术更加实用、高效、成熟。