低空数码航测技术在山地区域制作1∶2 000数字线划图的试验研究——以贵阳高新区核心扎佐片区为例

王志豪

(深圳市勘察测绘院有限公司,广东深圳 518028)

低空数码航测技术在山地区域制作1∶2 000数字线划图的试验研究——以贵阳高新区核心扎佐片区为例

王志豪∗

(深圳市勘察测绘院有限公司,广东深圳 518028)

低空航测技术以其灵活、高效、精准和成本低的特点,能够快速获取影像并完成地形图的测绘,目前已成为国内空间数据获取的重要手段。基于低空航测技术的特点,以贵阳高新区核心区的扎佐片区为试验点进行测绘,通过利用GNSS测量方法实施基础控制点平面测量和高程拟合;采用光电测距三角高程测量;采用GNSS RTK作业测量控制点的高程;采用低空数码航测结合数字摄影测量网格系统(DPGrid)等全数字化航测生产技术平台完成了地形测量作业。结果表明,对以山地与高低为主的地区进行航测,完成1∶2 000地形图的测绘任务中可以凸显低空航测技术优势。

低空数码航测;1∶2 000地形图;测绘;扎佐片区

1　引 言

我国经济的繁荣带动区域高新产业的发展,近年来,许多高新产业园也在大兴土木。中部城市建设高新产业园,受到土地资源条件的限制,选址在地形较为复杂的山地区域进行建设。开展地形图测绘工作成为建设高新产业园的必然选择。由高分率的数码相机、动力三角翼、姿态感应控制云台等组成的低空数字航空摄影系统,较传统的航空摄影测量方法更能克服天气、地形等客观因素的限制,可便捷地获取高分辨率数字影像,绘图更为高效、便捷、节约成本,适合山地复杂地形的小范围大比例尺地图的快速测绘和更新。依托贵阳高新区规划局委托的高新区核心区扎佐片区1∶2000地形图测绘,开展对山地区域低空数码航测的应用研究。

2　低空数码航测的内容及技术路线

2．1试验研究的内容

(1)低空数码航测摄影系统在山地区域的航空摄影;

(2)基于小像幅高分辨率数码影像控制点的测量、空中三角测量、例题数字测图、外业调绘与补测、地形图绘编;

(3)GNSS测量方法、GNSS RTK技术在1∶2 000航测成图中的应用;

(4)航测技术的路线和技术方法总结;

(5)低空数码摄影系统在山地区域制作1∶2 000地形图航测成像及成果分析。

2．2试验研究的技术路线

航测试验项目利用GNSS测量方法进行基础控制点平面测量及高程拟合,采用光电测距三角高程测量及GNSS RTK作业测量控制点的高程;地形测量采用低空数码航测结合数字摄影测量网格系统(DPGrid)全数字化航测生产平台进行作业。此次测绘的基础控制网测量包含了13个一级平面控制点和光电测距三角高程测量30．2 km。测绘范围50 km2,绘制1∶2 000地形图约54幅。低空数码航测流程如图1所示。

图1　贵阳高新区扎佐片区低空航测流程

(1)基于DPGrid的像片控制点初选,制作数字刺点片。

(2)像控测量。

(3)基于DPGrid的空中三角测量。

(4)内业数字化测图(采用立体模型进行数据采集,生成图形文件。辅助软件:苏武现代数字摄影测量软件)。

(5)外业测量无法利用航摄影像图成果的地区采用野外实测。

(6)形成1∶2 000数字化地形图(辅助软件:南方CASS7．1深勘版软件进行)。

3　作业依据和各工序技术要求

此次试验的低空数码航测依据《城市测量规范》、《卫星定位城市测量技术规范》、《国家三、四等测量规范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量内业规范》、《低空数字航空摄影测量内业规范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量数字化测图规范》、《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图图式》、《测绘成果质量检查与验收》(GB/T 24356-2009)等技术标准执行。

试验区按山地、高地1∶2 000地形图精度要求执行。各像控点通过无人机在实地拍摄远景及近景照片;内外业数字化测图采用苏武现代数字摄影测量软件按像对进行地物、地貌测绘,按照测区数据标准要求制定测图过程数据标准,以方便数据转换与编辑。采取先进行立体模型的判读测图,然后外业调绘再回内业补测、编辑,即先内后外的方法。采集的数据第一时间传输到计算机中,所有像控点数据均利用Excel软件编辑整理,经质检人员检查无误后才能编入成像控点成果表。根据外业记录的相片编号,在数字刺点片上插入相应的点位照片进行编辑,并对点位情况进行描述。

4　航空摄影及成果分析

4．1试验区概况

贵州省修文县扎佐镇,项目规模50 km2,位于贵阳市区北郊,距离市中心40多千米。测区位于北纬26°46′～26°55′,东经106°40′～106°45′之间。测区呈长方形,南北长东西短。测区内的居民地比较分散,主要位于扎佐镇老街大堡村,总人口约4万;地形以山地和高山地为主,地势南北高中间低;水系不发达,仅有3个小型水库分布在测区北、南及东部,无大型河流。耕地较少,90%以上为旱地,少量水田;农作物以玉米、土豆为主,有少量经济作物。该区域工业不发达,少量工厂分布在南部,主要是制药行业。交通以南北走向的渝黔铁路、210国道、G75高速公路为主,连接各居民点的道路基本为简易公路,地形较为复杂。采用无人机低空数码航测技术,可以从分发挥其优势,能够快速获取影像并完成所需比例尺的地形图测绘。

4．2航空摄影及成果

试验项目选用小型无人机,续航能力大于3 h,具备4级风力条件下安全飞行能力,并带有卫星导航定位仪,所有飞行数据实时传输到地面控制站。采用佳能5D MarkⅡ数码相机,校检精度满足:主点坐标中误差小于10 μm,主距中误差小于5 μm,畸变差方程系数拟合后,残余畸变差不大于0．3像素。飞行路线根据测区范围线适当外扩,预设航带20个并传输到导航软件中,实时控制飞行路线。航内方向在范围线处外扩4条基线,航间方向在范围线处外扩0．5条航线,起降场地位于贵钢异地搬迁项目施工区内,该区域刚完成场地平整,无干扰及安全隐患。扎佐片区航测全景如图2所示:

图2　贵阳扎左片区航测全景图

飞行影像质量层次分明,反差适中,色调柔和,光线良好,无云、烟、反光和污点等,航片影像无普遍模糊、重影等现象;航向重叠度为85%,旁向重叠度为35%,满足内业要求。

5　像控测量

5．1像控点布设与选剌

试验项目在航测影像初步处理的基础上进行像片控制选点,选出348个像控点,均为平高点。且满足以下条件:

(1)像控点的判点精度为图上0．1 mm,点位目标选在影像清晰的明显地物上,有利于判刺和立体测量。一般选在交角良好(30°～150°)且高程起伏较小的细小线状地物交点、原始影像中小于0．2 mm的点状地物中心等;

(2)以线状地物的交点为主,点位目标选在高程起伏较小且面积大的地方;

(3)选刺的点位目标均能转刺到像片上;

(4)充分考虑满足GNSS观测方法联测像片控制点的点位观测条件;

(5)像片控制点布设在在航向及旁向6片或5片重叠范围内,布设的像片控制点能尽量公用,控制点距像片边缘大于150像素(即大于像片宽度的4%)。航线按中心线布设且旁向重叠过大时,在距方位线1．5 cm以上处选出公用点时,不分别布点,否则分别布点;

(6)平地上的像片控制点按区域网布点,每个区域网中布设不少于20个检查点。根据成图比例尺、地面分辨率、测区地形、摄区划分、图幅分布等情况,采取区域网布设方案。区域网的大小和像片控制点之间的跨度以能够满足空中三角测量精度要求为原则,主要依据成图精度、航摄资料的有关参数及对系统误差的处理等多因素确定,本测区布设为一个区域网。

(7)受地形等条件限制时,采用不规则区域网布点:凸出处和凹进处均布设平高点,区域网内无像片重叠不合要求的航线和像对,无大片云影、阴影等影响内业加密工作的像对。

选择348个像控点(其中20个为检查点)进行数字刺点片制作,每点均按照技术设计书要求制作成Word格式的数字刺点片,含像控点编号(P+像片号+流水号,检查点为J+流水号),远景及近景图像,同时对影像进行初步处理后,提取像控点的概略坐标供野外实测参考。

5．2空中三角加密测量

空三加密前,对数字影像的格式转换、图像增强和旋转,对航带进行了整理,剔除掉部分大面积植被航片进行预处理,余下1 488张航片作为测区加密使用。采用数字摄影测量网格系统(DPGrid)的自动空三模块DPGrid．AT进行相对定向,航片上加密点在50个以上并尽可能均匀分布,对不稳定的加密点进行删除,对困难区域进行新增加密点。通过大量高精度、高强度的加密点进行模型连接,增加了模型连接强度,以减小控制点数较少带来的负面影响。

对整个加密区1 468个航片模型进行统计,残余上下视差按区间统计如表1所示。

航片模型限差区间统计　表1

模型连接较差限值按式(1)和式(2)计算:

平面位置较差:

式中:m为航摄比例尺分母;f为航摄仪焦距;b为像片基线长度,式中△S,△Z以m为单位。

本测区解算的平均地面分辨率约为0．146 m,对应的航摄比例尺分母约为22 839,航向重叠度为85%,航间重叠度为35%。经计算,模型连接的平面位置较差限差△S约为0．685 m,模型连接的高程较差限差△Z约为2．708 m。

采用DPGrid．BA平差模块直接计算所得为模型连接空间较差,即经平差计算,模

高程较差:型连接空间较差中误差为0．299 m,模型连接空间较差最大为0．677 m(小于限差的空间距离2．793 m,符合规范规定要求)。

6　内业数字化测图

数字化测图采用“先内后外”的方法,先进行立体模型的判读测图,然后外业调绘再回内业补测、编辑,并辅以苏武现代数字摄影测量软件按像对进行地物、地貌测绘,按照测区数据标准要求制定测图过程数据标准,以方便数据转换与编辑。

数据的采集按内业立体模型定位、外业定性的原则进行采集。每个像对均经定向和测图检查后交编辑工序作业。每个像对测图完成后与相邻像对接边。接边差在限差以内的各改1/2,超限的应查明原因后再作处理。采集精度:地物平面采集误差小于0．2 m。高程注记点切读两次,读数较差不大于0．3 m时,取中数注记至0．1 m。

7　外业调绘与补测

外业实地调绘在原图上的地形地物的基础上,检查纠正内业错绘的地物、地貌。调绘航测区域内楼层、电线杆性质、植被、各种地理名称(包括地名、单位、街道、居民地、河流等)等所有地物的性质。在外业调绘的过程中适当改正屋檐、量测田坎高度,调查河流水渠的流向,逐一实地核实农用地、小蓄水池等,并现场记录所有调绘成果。采用GNSS RTK测量方法对新增的地物及影像有阴影或遮挡内业测不到的地物,进行外业补测。

8　地形图编绘与成图

运用南方测绘公司CASS7．1深堪版软件进行地形图的编绘和成像工作。通过调绘与补测,记录对应编号;外业测量在现场对像控点进行详细记录,对拍摄到的建筑物特征点都量测建筑物高度,而陡坎和围墙特征均量测其比高。在数据采集过程中若有未满足的部分,在航测成像的编辑中应予以补充修改或补测。立体影像清楚的地物地貌元素测绘做到无错漏、不变形、不移位采集,对立体影像不够清晰的地物地貌元素也尽可能的采集,并做出标记,由外业人员实地进行核实、定位及补测工作。对于有植被覆盖的地表,当只能沿植被表面描绘时,加植被高度改正;在树林密集隐蔽地区,依据野外高程点和立体模型进行测绘。

在地形图绘编过程中严格遵循1∶2 000地形图图式符号按照GB/T 20257．1-2007《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图图式》要求。测图接东、南图边,地形图图幅接边的接合差不大于平面、高程中误差的2 2倍。小于该限差时平均配赋,保持地物、地貌相互位置和走向的正确性。等高线接边差不大于1个基本等高距。被覆盖的隐蔽地区等高线的接边误差按上述限差规定放宽0．5倍。测区按照50 cm×50 cm标准分幅,共计1∶2 000地形图54幅;图号按照图框左下角千米数编号,X坐标在前以短线连接Y坐标,如“2 969．0 -373．0”,图名以图幅内主要单位或地名命名,如“扎佐老街”、“高潮水库”等。

高新区核心区扎佐片区测区按照50 cm×50 cm标准分幅,共计1∶2 000地形图54幅,测绘图幅结合表如图3所示:

图3　高新区核心区扎佐片区1∶2 000地形图测绘图幅结合表

9　分析总结

9．1存在的问题和分析

(1)因为部分影像有阴影或遮挡,从而导致内业测不到这部分地物。对这部分地物,我们外业进行了补测,地物补测采用GNSS RTK测量方法。

(2)非量测型相机的局限

本次航摄采用的是非量测型相机,非量测型相机在高程精度方面存在一定的局限性,因此在以后的无人机航测工作中如果能够采用量测型相机,将能极大地提高地物高程精度,减少部分工作,提高工作效率。

(3)无人机飞行平台稳定性问题

无人机飞行平台在工作中容易收到风或者机身抖动的影响,造成部分姿态角超限,因此在以后的工作中,将采用增加云台的方法,来提高无人机飞行平台的稳定性。

9．2总结

贵阳高新区核心区扎佐片区单位面积内模型数较多,采用了多机、复核的方式快速高效生成了大量高精度和高强度的模型连接点。虽存在无人机航片有畸变较大的情况,但通过空三加密可以矫正或提高成果的精度。而外业补测则弥补了局部地区控制点不足的缺陷。试验对贵阳高新区核心区扎佐片区地形图测绘成果资料的内业检查和外业抽查,在平面坐标选取190个点进行比较,较差最大值为1．0 m(限差±3．0 m),地形图平面位置中误差为0．52 m(限差±1．5 m);高程选取164个点进行比较,较差最大值为1．0 m(限差2．66 m),高程中误差为0．5 m(限差±1．33 m)。工程1∶2 000地形图图面表示及数学精度、基础控制网及像控点测量精度、空三加密成果,均满足设计书和规范的要求。

实践证明,对以山地与高低为主的地区采用全数码摄影测量技术测绘地形图完成1∶2 000地形图的测绘任务,能够有效地提高工作效率,减少外业的工作的强度和压力,与传统的作业模式相比,成果质量提升明显,且具跨越范围较大,这为地形图测绘工作提供了更加有效和快捷的测绘方法,可以凸显低空航测技术优势。

[1] 周军,龙盈,王发艳．低空数码航空摄影测量像控点的布设及构网[J]．地矿测绘,2015(31):35～36．

[2] 周玉雄,龙盈．永州测区低空数码航测像控点的布设及构网方案[J]．科技与生活,2011(12)．

[3] 蒙晓峰,赵力彬,王占宏等．低空数码航摄系统的比较分析[J]．测绘技术装备,2009(4)．

[4] 陈华刚,王昌翰．低空数字摄影系统在山地区域制作1∶500数字线划图的试验研究[J]．测绘与空间地理信息, 2008(4)．

[5] 莫龙．低空航测技术在城乡规划中的实践和应用[J]．城市勘测,2013(3)．

[6] 刘宝锋．1∶2 000地形图测绘航测作业方法探讨[J]．硅谷,2012(9)．

[7] 低空航测技术在城乡规划中的实践和应用[J]．城市勘测,2013(6)．

[8] 建光．江苏省宜兴市1∶2 000数字地形图航空摄影测量(三期)项目设计书[R]．2010．

[9] 周昌建．1∶2 000地形图数据获取与建库的体会[J]．科学时代,2013．

[10] 郎城．无人机在区域土地利用动态监测中的应用[D]．西安:西安科技大学,2011．

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,高级工程师,主要从事工程测量、3S应用等技术工作。