南极1∶5 000地形图测绘关键技术及相关问题处理——以南极维多利亚地站为例

徐 敏，初启凤，阳 俊，袁如金，周 亮

（黑龙江地理信息工程院，黑龙江哈尔滨150081）



南极1∶5 000地形图测绘关键技术及相关问题处理——以南极维多利亚地站为例

徐 敏，初启凤，阳 俊，袁如金，周 亮

（黑龙江地理信息工程院，黑龙江哈尔滨150081）

摘 要：从国家南极科学考察工作的实际需求出发，以南极拟新建站址维多利亚地1∶5 000地形图测绘为例，阐述进行南极特殊区域地形图测绘工作在数据获取及地形图测绘相关数据处理方面所遇到的问题，介绍南极特殊区域测绘与常规区域测绘生产的不同，以及在关键工序存在的问题及处理方法，为今后开展相关的地形图测绘工作提供技术依据。

关键词：极地测绘；测图工序；航空摄影；像片控制测量；空中三角测量；地形图测绘

极地测绘是我国开展极地科学考察工作的重要支撑，也是我国极地科学研究领域不可缺少的组成部分。根据国家极地科学考察计划，我国将在维多利亚地建设新的常年科学考察站。为了保证新站址的建设及该区域今后开展的科学考察、环境资源调查及地址调查等工作的顺利进行，满足我国极地科考工作对基础测绘资料的需求，为极地科考事业提供基础测绘保障，根据国家南极科学考察需求，国家测绘地理信息局确定对南极维多利亚地周边区域进行1∶5 000比例尺地形图测绘。本文以南极维多利亚地站及周边区域为例，介绍及分析了南极1∶5 000地形图测绘的数据获取及数据处理与常规区域测绘生产在关键工序上的异同及特殊问题的处理方法，为今后进行南极特殊区域的生产提供技术依据。

1　区域自然地理概况

南极维多利亚地位于东南极罗斯海（Ross Sea）西侧恩科斯堡岛（Inexpressible Island）。测区内周边西高东低，西侧有一个南北走向山梁，东侧为平地和丘陵地。测区西面背靠南极大陆腹地，北侧、西侧和南侧均为冰盖，东面朝特拉诺瓦湾（Terra Nova Bay）。该测区属于寒带海洋性气候，11月至次年2月份为夏季，夏季平均温度－2．8℃～0℃，常年风力在6～7级；同时，受局地条件的影响，短距离内可产生较大的风速变化。测区地质情况较为复杂，大部分区域为冰碛岩，多为河流子和碎石覆盖，基岩部分仅在部分海岸区域与部分山丘脚下出现，野外测绘工作开展比较困难。

2　技术路线

我国在第29次南极科学考察时，利用直升机挂载哈苏H4D－60非量测型相机开展南极维多利亚地区域航空摄影，利用航空摄影获取的影像数据，在第30次科学考察时开展像片控制测量及外业调绘工作。后期利用像片航空影像及像片控制测量成果完成空中三角测量，利用空中三角测量成果恢复立体模型开展立体测图工作，并根据调绘数据进行数字线划图（DLG）的编辑。从立体测图数据中提取高程点、等高线等地貌要素生成数字高程模型（DEM），利用空中三角测量成果、航空影像及DEM数据经过影像纠正、匀光匀色、镶嵌等过程生产数字正射影像图（DOM）。生产技术流程如图1所示。

由于南极特殊的气候条件及地形地貌条件，在生产过程中遇到的问题将按现行规范适当放宽处理。

3　关键工序及特殊问题处理

3．1 航空摄影

常规区域航空摄影一般采用航空遥感平台或无人飞行器，利用GNSS获得精确的航空飞机摄影的曝光点位置坐标，同时记录航摄相机曝光时刻的信号，根据天气情况确定拍摄时间。

由于极地恶劣环境及相应条件限制，缺乏常规航摄平台的航摄条件，经黑龙江测绘局极地测绘工程中心考察、测试和论证，在极地航空摄影时采用雪龙船配备的直升机平台，并确定了在直升机上外挂哈苏数码相机进行航空摄影测量的技术方案。由于H4D－60为非量测相机，未执行过极端特殊条件的航摄任务，且直升机不具备固定相机的设备，为满足南极特殊区域航摄条件的需要，对相机进行了如下改造：

1）直升机与数码相机的连接。经过与设计制作单位的多次研究，并在制作过程中，逐步修改完善，达到连接机构的坚固、实用、便捷等要求。挂件实物如图2所示。

图1　生产技术流程图

2）数码相机供电系统改造。直升机外挂数码相机航摄的稳定供电问题，一直是制约提高航摄效率的瓶颈之一，尤其在南极极端天气条件下，为避免相机的断电问题对相机的供电系统进行了重点改造，电路设计如图3所示。

图2　数码相机连接挂件

由于本次航摄时间限制，无法获取精确的航空飞机摄影的曝光点位置坐标，主要根据地速和摄影基线，采用航摄仪的定时曝光来完成航空拍摄。这种方式如果碰到航线偏离，难免出现漏拍现象，因而造成补飞较多。该地区常年风力在6～7级，飞行方向较难控制，出现旋偏角、偏离航线等情况不可避免，因而采用补飞的方式进行弥补。

图3　电路设计图

3．2 像片控制测量

常规像控点布设根据相应规范、实地交通状况、可通行条件等综合因素进行布点。布控范围满足成图要求的同时，可根据需要外扩一定范围布点。如后续生产中出现精度较弱、粗差点时，可及时补测。绝大多数地区，全年均可进行像控点施测。

极地像控点布设时，新建站测区内不具备地面交通条件，由于该区域周边为峭壁和水域，地面遍地石块，布点十分困难，像控点布设尽可能做到控制范围最大。点位不能保证控制成图范围，需要内业进行合理化处理。南极考察往返路程需要2个月，获取时间仅为11月至次年2月份，出现粗差点无法及时补测，因而像片控制点点位的选择必须谨慎。综合考虑地域风速较大、明显地物稀少以及航摄影像的获取特点，主要选择明显地势处的大块石头作为刺点目标（小石块不易辨认且由于风的影响位置会变动），选点样例如图4所示。

3．3 空中三角测量

3．3．1 作业方法的比较

常规区域影像按飞行方向排列一致，能直接进行畸变差校正，倾斜角较小、无航摄漏洞，像片间重叠度满足规范要求，可选择手工、自动的方式进行空三连接点选取，像控点布设满足成图范围。

极地区域因飞行环境变化频繁，重叠度不一致，倾斜角较大，有漏洞，需人工选取连接点。像控点不满足成图范围，高程易出现明显异常，需要内业进行合理化处理。

图4　像片控制点样例

3．3．2 问题处理

1）本次航摄时由于对相机不熟悉，相机的自动旋转功能未关闭，导致获取的影像需要手工调整方向后，方可对摄区内影像统一进行畸变差校正。

2）高程异常处理方法。该测区为无图区，无原始资料可用，水域被冰盖覆盖，因航摄季节为夏季，存在有不同程度融化的闭合水面，选取高程最低的接近于海平面的点位作为高程控制点，由于航摄存在严重的旋偏角，在空三环境下无法选取，因而需要使用空三中间成果恢复立体模型，在测图环境下选取，此方法有效地改善了失控陆地区域的高程。加0值高程控制点前、后陆地高程对比如图5、图6所示。

图5　加控制点前（黑体注记为点位高程值）

因极地特有的地理环境，此类问题在极地测绘中较常见，此方法可改善成果高程，但不能保证绝对精度，随着技术的进步及发展有待在以后的生产研究中进一步地探讨。

3．4 立体测图

常规立体测图中，极少数情况下会存在影像间漏洞的情况，可采取补飞的方式进行弥补。

图6　加控制点后（黑体注记为点位高程值）

极地立体测图中，影像漏洞情况较多，并且因条件限制补飞困难，对于有影像可参考的相对漏洞可根据影像补充进行矢量采集，绝对漏洞则根据周边地形推测的方法进行弥补。在测图过程中旋偏角问题较为普遍，测图时需要生成水平核线影像，来改善旋偏角对立体观测的影响。

4　结束语

从2006年的非量测相机H1D第一次投入极地测绘航摄生产到如今的H4D－60数码相机的使用，非量测相机应用于极地测绘生产技术日趋成熟，已基本上解决我国极地考察亟需的各种类型地图和各项基础空间数据、地理信息系统的服务，提高我国在南极测绘方面的国际交流合作和数据资料共享的地位和能力，保障了我国南极科学考察的顺利进行。本文所阐述的极地测绘生产关键工序问题处理，为今后的极地测绘生产提供了一定的技术依据及参考。在本项目的执行中由于时间所限，对配合相机系统进行的GPS导航系统改造未能发挥作用，而我们也在继续对GPS导航系统进行改造，以期在下一次执行任务时能利用该导航系统实现高定位精度，飞行航线偏离提醒，以提高极地特殊区域的航空摄影能力，最大程度地降低自然条件的影响。

参考文献：

［1］ 吴文会，殷福忠，吴迪．基于直升机平台及非量测数码相机的南极航空摄影测量技术研究［J］．极地研究，2010（2）：190－198．

［2］ 巩淑楠，吴善昌．非量测数码相机（哈苏H1D型）在南极项目生产中的应用［J］．测绘与空间地理信息，2008，31（1）：162－164．

［3］ 王铁军；张禹；苏光日，等．基于高分辨率卫星影像的南极地区测绘产品生产试验研究［J］．遥感信息，2014 （5）：58－61．

［4］ 姜丽丽，李晓双，王鸿阳，等．多种数据源互补生产南极3D产品关键技术研究［J］．测绘与空间地理信息，2015，38（6）：87－89．

［5］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．1∶5 000、1∶10 000地形图航空摄影测量内业规范：GB／T13990－2012［S］．北京：中国标准出版社，2012．

［6］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．1∶5 000、1∶10 000地形图航空摄影测量外业规范：GB／T13977－2012［S］．北京：中国标准出版社，2012．

［7］ 刘晨，耿娟，贺一楠，等．极坐标法在非量测相机检校场控制测量中的应用［J］．测绘工程，2014，23（10）：50－53．

［8］ 陈科，黄天勇，闻平，等．利用匀光匀色建立色彩一致性无缝DOM影像数据库的方法研究［J］．测绘工程，2014，23（2）：66－69．

［责任编辑：王文福］

Research of major problems in the 1∶5 000 mapping of Antarctic and the solutions —A case study of Vitolia area

XU Min，CHU Qifeng，YANG Jun，YUAN Rujin，ZHOU Liang

（Heilongjiang Institute of Geomatics Engineering，Harbin 150081，China）

Abstract：This paper，from the actual needs of national Antarctic research and taking the proposed new station site of Vitolia Land 1∶5 000topographic mapping for instance，focuses on the essential technology of Antarctic topographic mapping in data acquisition，data processing and other aspects of the problem to be solved．It also describes the different polar mapping and general mapping area，as well as highlights problems and processing method，and provides technical base for the future work．

Key words：polar mapping；essential technology；aerial photography；photo control survey；aerial triangulation；topographic mapping

作者简介：徐 敏（1980－），女，高级工程师．

基金项目：2014年度测绘地理信息公益性行业科研专项项目（201412009）；南北极环境综合考察与评估专项基金（CHINARE2015－04－07）

收稿日期：2015－09－29

中图分类号：P217

文献标识码：A

文章编号：1006－7949（2016）01－0073－04