两种小区域大比例尺航测地形图成图方法的应用研究

张懂庆，汪宏康，李宝东

(1.甘肃省地质矿产勘查开发局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020;2.甘肃省煤田地质局综合普查队，甘肃 天水 741000)

随着无人机产业的日益成熟，无人机航测技术也得到了空前的发展，无论是软硬件设备、飞控系统、数据获取方式、处理模式、成果多样性，还是产品精度、后期数据维护，都有了质的飞跃，智能化、灵活性日益凸显。无人机航测技术作为新型测绘产品的生产手段，相较于传统测量模式，有着不可替代的优势。如何利用航测技术手段和常见的测绘数据处理软件快速地生产出高精度测绘产品，一直以来是测绘人关心的问题所在。

为了解决航测数据的后处理问题，目前国内最为常见的摄影测量软件有两种，一种VirTuo-Zo(适普软件)[1]，另一种是JX-4软件[2]，但由于此类软件专业性强，且价格昂贵，普及率较低。本文将结合实例，采用最为常见的测绘软件PIX4D、ArcGIS、南方CASS和清华山维EPS分两种方案进行小区域大比例尺航测地形图生产。实验结果表明：两种方法都可以满足小区域大比例尺航测地形图的生产要求，但采用ArcGIS和南方CASS相结合的方式生产速度快，效率高，易普及；采用清华山维EPS的生产方式精度更佳，便于数据库生产和后期数据维护。

1 项目概括及数据获取平台

为了按期完成成县厂坝铅锌矿生态恢复治理工程规划设计，需对矿区4.6 km2区域进行快速地形图测绘，同时提供可视化数字地表模型。测绘成果要求1:2 000 DWG 格式地形图，以及20 cm分辨率高清影像和数字高程模型，此地区位于甘肃陇东南地区，属山地地形，坡度介于25°～75°之间，交通便利。

无人机数据获取平台采用的是深圳飞马D200四旋翼无人机，如图1所示，平台搭载了4 240万像素的D-CAM300航测模块，云台系统采用GIMBAL-SONY RX1RXII，传感器尺寸为35.9 mm×24.0 mm，35 mm定焦，感光度最高可达ISO 25600，符合航空摄影平台规范要求，地面控制站选用飞马无人机管家，地面站可控制无人机按规划的航线进行数据采集，可进行正射、倾斜摄影，也可进行激光雷达、可见光、多光谱和热红外测量等。

图1 无人机数据获取平台

2 外业数据采集

结合矿区地形特点，将矿区划分为四个测区，如图2所示测区航线示意图，由于测区1和测区3高低落差较大，采用变高飞行来确保建筑物和低海拔区域的地物精度，测区2和测区4采用固定航高，共飞行4个架次。由于无人机具备RTK/PPK融合差分作业功能，可直接通过网络RTK实时获取基准站和POS数据。同时，为了确保成果质量，按照相关航测规范和保证立体像对后方交会精度更佳的方式[3-5]，采集少量像控点和若干检核点。

3 航空摄影测量内业数据处理

该项目采用飞马无人机管家和PIX4D相结合的方式快速生成测区数字地表模型DSM和数字正射影像图DOM。采用飞马无人机管家的主要目的是进行高精度POS数据融合解算和对原始相片进行畸变矫正。当然，也可直接利用PIX4D自带的相机自检校模型进行畸变校正。需要注意的是，由于空三匹配中连接点的迭代性和线性关系，空三报告的精度并不能很好地代表成图精度，特别是空三平差较弱区域，故在立体测图模式下，首先应检核检查点精度，在精度满足测图要求和相关规范后，方可进行DLG生产作业[6]。本文将以此成果作为DLG生产的基础数据。

图2 测区航线示意图

4 ArcGIS和CASS相结合地形图生产方案

传统的航空摄影数字线划图的生产都是在立体模型(立体像对)上通过专业的采集软件进行，比如最常见的VirTuo-Zo(适普软件)，但利用此方法存在专业性强，对作业人员的综合能力要求高，且单模型数据采集速度慢，市场普及率低等缺点。下面就用最常见ArcGIS和CASS相结合的方式获取满足精度的地形图成果。

4.1 地形数据矢量化

以最新的南方CASS10.1为平台，利用数据工具栏中的加载大影像功能，将空三获取的DOM高清影像直接加载到工作界面中(CASS10.1以前版本不支持超大影像数据加载，可通过裁剪方式缩小数据量和加载插件相结合的方式加载)，按照地形图规范要求对各类地物地貌矢量化，获取地物矢量化图层，如图3所示。

图3 局部矢量化地形数据

图4 地貌特征点及高程点

4.2 高程数据获取

高程数据的获取重点利用ArcGIS平台，新建一个点图层，依据地形图规范对地形要素和高程点注记密度、分布、位数等要求，利用空三获取的DOM高清影像提取地貌特征点及高程点，如图4所示。具体步骤为：首先利用系统工具箱中的Spatial Analys Tools——提取分析——值提取至点，在输入点要素时选择点图层，输入栅格要素时选择数字地表模型DSM数据，提取地形要素特征点和高程点信息，高程字段默认为RASTERVALU。由于CASS软件中，对高程值的定义为Elevation，故追加Elevation字段，并进行赋值运算，最后导出DWG格式并含有高程信息的点文件数据。

4.3 地形图成图编辑

利用要素转CAD，将ArcGIS中的点文件数据输出为DXF格式(或DWG格式)。然后在CASS软件中，首先将获取的高程数据和矢量化数据进行合并，然后利用高程数据生成等高线，最后，对整个地形图进行综合、整饰等处理，得到满足要求的DWG格式的地形图成果。ArcGIS+CASS局部地形图成果如图5所示。

图5 ArcGIS+CASS局部地形图成果

5 EPS地形图生产方案

清华山维EPS进行地形图生产在很大程度上可以理解为ArcGIS和CASS的结合体，不仅具有ArcGIS庞大的数据库功能，还具有南方CASS软件超强的图形编辑功能。其主要优势是可以直接加载超大影像数据、倾斜数据、点云数据，同时，也可利用上述基础性数据进行地形图生产和后期数据库维护。

5.1 地形数据矢量化

以清华山维EPS三维测图系统为平台，利用三维测图工具栏中生成垂直投影模型工具，将空三获取的DOM和DSM数据转化为EPS可识别的数据格式，加载此垂直投影数据，同时打开二三维同步功能，采取二维和三维联动模式，采集地形数据。此方法进行地形图数字线划的最大优势是可以利用三维窗口，实时获取真实的地形地貌特征，成图精度更高。EPS二三维联动矢量化如图6所示。

图6 EPS二三维联动矢量化

5.2 高程数据获取

由于利用DOM和DSM生成的垂直投影数据覆盖于地表，无法更好地将植被、建筑物等高程进行过滤，故还是应该采取人工提取地形地物高程的方式，获取准确高程数据。具体步骤为：利用三维测图工具栏——等高线高程点——提取高程点功能，依据地形图规范对地形要素和高程点注记密度、分布、位数等要求，采用人工加点方式提取高程点。当然，针对地形地貌较为简单，且无地物覆盖、高程准确的区域，也可采用面选方式批量提取高程点。EPS提取高程点如图7所示。

图7 EPS提取高程点

5.3 地形图成图编辑

在矢量化和提取高程点的基础上，利用地膜处理工具栏中的生成三角网，构建不规则三角网TIN，进一步生成等高线。然后对整个地形图成果进行综合、整饰、数据质检等后续处理，获取最终的地形图成果。由于EPS生成的地形图为EDB格式，故导出最终成果时需选择工具栏中的数据转换功能输出DWG格式。EPS中局部地形图成果如图8所示。

6 两种成图方法精度分析

为了比较两种成图方案的成图精度，选择矿区10个检核点分别进行统计分析， ArcGIS+CASS成图方案的成图精度统计情况如表1所示，EPS成图方案的成图精度统计情况如表2所示，两种成图方案成图精度中误差如表3所示。

图8 EPS中局部地形图成果

表1 ArcGIS+CASS成图方案的成图精度统计表/m

表2 EPS成图方案的成图精度统计表/m

表3 两种成图方案的成图精度中误差统计表/m

依据低空数字航空摄影测量内业规范[7]和1:500 1:1 000 1:2 000 地形图航空摄影测量内业规范[8]，数字线划图(B类)1:500地物点对附近野外控制点的平面位置中误差为0.6 m(平地、丘陵地)，高程中误差为不超过0.7 m(平地、丘陵地)；基础地理信息数字成果1:500 1:1 000 1:2 000数字线划图[9]，1:500平面位置精度为0.3 m(平地、丘陵地)，1:2 000平面位置精度为1.2 m(平地、丘陵地)，1:500高程注记点高程中误差为0.4 m(丘陵地)，1:2 000高程注记点高程中误差为0.5 m(丘陵地)。从表1和表2可看出，上述两种成图方案都能满足大比例尺地形图测图规范和精度要求。

从表3的两种成图方案的成图精度结果可知，在平面精度方面，采用ArcGIS+CASS成图方案和EPS成图方案基本一致，而在高程精度方面，EPS成图方案明显优于ArcGIS+CASS成图方案，其主要原因为三维可视化可以大大提高地物辨识度，从而提高成图整体精度。

7 结 论

本文通过实践对比分析表明，两种成图方案都能满足小区域大比例尺航测地形图成图要求，且方案一中采用的ArcGIS和CASS为最常见的成图软件，大大降低生产成本投入，加快成图效率，易普及。方案二中采用EPS成图，其成图精度明显优于方案一，特别是高程精度方面，且EPS具有庞大的空间逻辑和图属一致性功能，便于后期数据库维护。当然，针对如何提高整个航测地形图的精度，还有诸多因素要考虑，比如：POS值的精度，像机的内方位元素和畸变参数的确定，空三平差的过程控制，迭代算法的优化等。