常规数码影像辅助的大比例尺数字测图

王庆国， 夏 凯，谭艳秋， 杨 浩，樊晨曲，朱澄均

（1.武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉430081）

基于全站仪和GPS-RTK的大比例尺数字测图方式，在很大程度上实现了测图工作的自动化，减轻了作业的劳动强度。但是，也存在一个共同的问题：虽然2种设备都能快速得到测点的高精度定位坐标并自动存储记录，但对于数字成图所需的绘图信息的自动采集和记录，都还显得无能为力[1]。如何高效、完整、准确、清晰地采集记录点位的连接和描述信息，是一个令人头痛的问题。

1 大比例尺数字测图主流作业模式

目前，大比例尺数字测图的作业模式大致可以归为测与绘内外业一体和测与绘内外业分离2种。

根据文献[2]～[7]的分析，内外业一体的作业模式通过在外业现场边测边绘，实现了测与绘内外业的一体化作业，并能及时发现错误、编辑修改。但由于增加了外业的工作量，降低了外业作业的效率；而且受设备电池续航能力的限制，环境适应性差。所以，这种作业模式目前很少采用。

而内外业分离的作业模式，由于外业作业效率高，环境适应性强，需要的设备和人数较少，作业人员容易掌握，成为目前大比例尺数字测图的主流作业模式。但该作业模式需要通过编码或绘制草图的方法，在野外记录相关的绘图信息。

编码法是根据一定的编码规则，对每个碎部点输入一个编码，记录测点的几何关系和属性，内业处理时由计算机进行编码识别，并根据这些编码自动绘制成图。但编码不能有效记录点与点之间的连接关系，在测区地形复杂、通视不好、测量不连贯时，仅依靠编码，内业处理非常困难。特别是出现错误时，难以发现和纠正。

绘制草图的方法是在外业作业时，现场绘制地形草图，来记录相关的绘图信息。内业作业时，通过人机交互，对照草图进行测点连线和图形编辑，这是目前大比例尺数字测图采用最多的方法。这种作业方法，只要所绘草图能够清楚地记录相应的绘图信息，标注的点号与仪器中的点号正确对应，内业成图就不容易出错。但这种方法外业草图的绘制工作量大，严重影响外业作业效率。在地形复杂、地块分割破碎、地物分布杂乱的地区，草图绘制尤其困难。而且，一旦草图记录的点号与仪器中的点号不对应，就很麻烦。

综上所述，在不同的大比例尺数字测图作业模式中，碎部点点位测量的精度和效率并无多大差别，决定整体作业效率和劳动强度的关键在于如何高效、完整、准确、清晰地记录数字成图的绘图信息，这是目前数字测图工作中还没有有效解决的问题。

2 常规数码影像用于绘图信息记录的可行性分析

2.1 数字成图所需绘图信息的特征

1）绘图信息主要是一种定性描述的信息，不需要清楚的定量描述。譬如，属性信息主要是记录和反映所测量的碎部点“是什么”，或者“是什么类型”，而无需记录诸如地物的面积多大、周长多长等定量信息。

2）绘图信息中的点之间的连接信息，其实是对点间拓扑关系的描述，而不是一种刚性几何关系的记录。只需要清楚哪个点与哪个点相连，至于点的实际坐标是多少，2点之间的连线有多长，2点连线的方向如何等并不重要。

3）绘图信息最基本的要求是完整、准确和清晰。完整性和准确性就是要保证数字成图所需的绘图信息的完备和正确，没有遗漏和错误；而清晰性则以内业编辑时人眼可分辨为标准，只要能进行定性辨识即可。

图1 外业草图

2.2 常规数码影像的特征

由上可见，数字成图的绘图信息并不需要严格的定量描述，能清楚地反映地形属性和相邻点间的连接关系即可。这使得借助常规的数码影像记录所需的绘图信息，特别是地形复杂地区的绘图信息成为可能。这里所说的常规数码影像，指的是通过普通数码相机拍摄的影像或视频，具有如下特征：

1）影像是以一定的分辨率对一定场景范围的再现式记录，具有丰富而真实的纹理信息，对于分辨点位的属性，认识地物地貌的形态特性非常方便和直观。虽然影像本身没有定位信息，但是它直观地记录了一定范围内地物和地貌在空间上的分布状况和起伏形态，这使得在内业编辑成图的时候，能够比较容易地提取出点之间的连接关系。

2）常规数码影像的采集不需要专业化设备。随着普通数码相机的价格越来越低廉，分辨率越来越高，存储容量越来越大，常规数码影像的采集越来越方便，选择合适的存储卡，完全可以满足相当范围的外业影像采集的需要。另外，普通数码相机作业灵活，可对同一地区进行多角度多分辨率拍摄，并可随时查看拍摄的质量和效果。这就使得影像采集时，在拍摄内容和拍摄分辨率等方面的选择余地越来越大，信息的获取也可以达到充分全面。辅助一定的现场记录和说明，就可大大减轻地形复杂地区现场草图绘制的工作量和工作难度。

3 常规数码影像辅助数字测图的作业模式

根据大比例尺数字测图中数码影像采集的时机和用途等，大致可采取3种作业模式。

第1种作业模式，是在地形踏勘或先期的控制测量阶段，对地形特别复杂、草图绘制难度很大的区域，预先采集一些影像。在进行外业测量之前，首先通过这些影像或是多张相邻影像的拼接，设计碎部测量的方案，大致标定出测量时的采样点；然后把这些影像打印出来，在外业测量时，用于指导测量的实施，并在影像图上随时标明测量点号。这种作业模式，以影像作为基本的外业草图，而且已经把地形复杂地区测量的碎部点基本确定好了，外业测量时，只需按图索骥地跑点，即使采样点分布到几个测站上完成，影响也不大。在影像质量满足要求时，可以大大减少地形复杂地区现场草图绘制的需要，明显提高外业作业的效率。

第2种作业模式，是在碎部测量时，对草图绘制有一定难度的地区，根据实际地形的复杂状况和测量实施情况，有选择地对该测站可控制范围内的区域采集影像。这种作业模式以测站为中心，依据外业碎部测量的实际情况进行影像采集，具有明确的针对性。由于现有的常规数码相机不具备对影像进行实时标注处理的能力，所以还需要全面绘制草图，记录点号，并注明每张影像包含的点号范围。这种作业模式，对于减少外业工作量的作用虽然有限，但是在内业编辑成图时，根据相关测区影像，配合外业绘制的现场草图，可以最大限度地防止编辑中错漏的发生，提高内业编辑的效率。

第3种作业模式，是在内业编绘的过程中，对草图描述不清楚的地方，再去相关现场采集一些影像，以辅助成图。这种作业模式中采集的影像针对性强，需要的影像采集量小，但由于影像的采集是在外业测量之后，所以对减少外业草图的绘制量和提高外业测量的效率没有帮助。在内业编辑成图时，主要也是依据外业绘制的草图进行，影像只在草图记录不清楚时采集，作为一种印证检查的手段。这种作业模式对于提高测图效率的价值不是很大。

4 实例分析

本课题组在湖北省黄冈地区某镇1∶2 000数字地形图测绘中，对本文所述方法进行了实验。本次测区面积约为6 km2，主要是丘陵地貌，植被茂密，地物众多而杂乱，地貌起伏变化明显，陡坎沟壑纵横。本次测绘采用全站仪以内外业分离的现场绘草图方式进行。

由于现场地貌形态变化复杂，地物分布杂乱无章，转点设站十分频繁，外业草图绘制的难度很大，致使整个外业作业的进度非常缓慢，开始每天完成的测量任务不到0.1 km2。在经过最初2 d的测量后，实验了数码影像辅助的数字测图方法，并根据地形复杂情况，分别采用了上述第1种和第2种作业模式。

图2 a所示的区域地貌形态复杂，借助普通数码相机采集该区域的合适影像作为草图。首先通过内业处理，选择出外业测量的碎部特征点（如图2 a中红点所示），在外业测量时，标定点号。实际测量若需要增加碎部点，可以直接在影像上标注。这种方法使用方便，大大降低了外业绘图的难度和工作量，节省了找特征点的时间。而在图2 b的情况下，虽然测区内地貌有一些起伏，地块分割较多较破碎，但整体情况不算太复杂。因而根据实际情况，综合采用了第1种和第2种作业模式。

图2 常规数码影像辅助的大比例尺数字测图

根据实验结果，通过灵活采用普通数码影像辅助测图之后，外业作业的效率明显提高。在复杂地区的作业效率，由最初的每天不到0.1 km2提高到每天0.4～0.5 km2，成效显著。

5 结 语

本文在分析绘图信息和常规数码影像信息特征的基础上，提出了借助常规数码影像记录绘图信息，辅助大比例尺数字测图的方法。实验证明，本方法对于降低地形复杂地区外业草图绘制难度和工作量，提高数字测图作业效率等具有明显优势。当然，作为一种新方法，在如何优化作业模式，如何进一步提高作业效率并降低成本等方面，还需要深入研究。

[1]李玉宝,曹智翔.大比例尺数字化测图技术[M].成都：西南交通大学出版社, 2010

[2]文小岳,施永胜,孙鸿睿，等.大比例尺数字化测图中图根控制和数据采集一体化的有关问题探讨[J].测绘通报,2006(1):8-10

[3]刘涛.大比例尺数字测图及常见问题分析[J].测绘与空间地理信息,2010(6):197-199

[4]马俊海,李长广.全野外数字测图技术的现状及发展趋势[J].测绘与空间地理信息,2006(5):15-17

[5]王瑞锋,高斌,贡学安.野外大比例尺数字化测图方法探讨[J].测绘标准化,2011(1):44-45

[6]刘清田,于庆国.全野外数字测图简易编码的数据采集方法[J].测绘与空间地理信息, 2008(1):178-180

[7]李清华，姜赘.GPS-RTK与全站仪联合作业在数字测图中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010，6：120-123