基于Virtuo Zo系统的地理信息平台基础数据快速生产方法

夏佳毅

（江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013）

0.引言

基础地理信息是国家发展重要战略资源，在政府管理决策、新兴产业发展、人民生活品质改善等方面发挥着越来越重要的作用[1,2]。大数据背景下，越来越多的行业建设需要以地理空间信息数据为基础，随着各行各业发展要求的复杂多变，传统的基础地理信息已不能满足需求，为顺应时代发展，更好地服务社会，测绘部门应选择合理的数据采集处理方法以实现自然资源信息的快速、准确获取。基础地理信息时空平台数据内容主要包括矢量数据、影像数据、高程模型数据、地理实体数据、地名/地址数据、新型测绘产品数据及其元数据。传统数字正射影像模型（DOM）、数字地形图，通常采用全站仪或RTK技术进行数据采集，外业工作周期长、成图速度慢、效益低不能满足快速发展的需求[3]。作为测绘领域新兴技术，无人机倾斜摄影测量技术近年来发展迅速，在多个行业已有应用，取得的很好的效果。无人机倾斜摄影测量技术是通过搭载在无人机平台上的多镜头、高分辨率相机多个视角快速获取高质量影像数据，同时，无人机平台会搭载多种不同的传感器，不同的传感器可实现实时坐标位置、航行数据、影像重叠度等参数的记录，从而使影像数据更加详细。对影相数据进行简单的内业软件处理即可实现DOM、数字地形图的快速生产[4]。利用VirtuoZo系统生产DOM、数字地形图[5]，简化了外业数据采集流程，人工数据处理简单，极大程度降低了工作量，成图速度快，可适应快节奏的生产需求。考虑无人机倾斜摄影测量的优势特点，本文提出基于倾斜摄影测量技术的地理信息平台基础数据快速生产方法。实践证明：使用该方法DOM、数字地形图的生产速度快、精度高、生产效益好，建议推广使用。

数字正射影像图（DOM）是通过对航空像片或航空遥感影像数据，进行影像纠正、匹配、分幅等处理后，生成的二维平面影像数据。正射影像图可附加坐标、地形要素等信息，具有矢量性，内容丰富。

1.倾斜摄影测量技术生产工艺

利用VirtuoZo系统生产地理信息平台基础数据的主要技术路线如下：

（1）首先进行测区资料的收集工作，明确测区内已有成果，这包括测区内控制资料、坐标系统、卫星定位基准网、高程基准转换参数、国土调查资料、地形图资料；根据相关规定规范编写设计书；

（2）航飞方案设计，航飞方案主要包括无人机相机检校、设计航飞路线、高度、时长、架次、影像分辨率重叠度等方面，区域过大时应考合理分区；

（3）布设像控点，像控点的布设应满足布点方案的要求，选择按图幅布设或按航线、区域布设。像控点一般选择布设平高点，且位置明显。完成布点后使用RTK技术进行像控点数据采集；

（4）完成外业数据采集，检测像片质量情况后进行内业数据处理，首先对原始像片进行几何纠正、镶嵌、匀光匀色、裁切等处理，然后使用软件进行空三加密，主要内容是结合像控点数据对像片POS数据进行平差解算。目前部分软件都能够自动实现空三加密解算，同时通过多视影像联合平差技术进行倾斜影像区域网平差、多视影像密集匹配技术得到高精度高密度点云数据，方便三维建模使用；

（5）外业核查工作，内业绘图过程中存在的不能清晰辨别的地物或位置信息模糊，可通过实景三维模型进行辨别或人工外业调绘；

（6）完成图像分幅整饰绘制等工作后，需进行精度质量检查，通过质量检查的数据才能提供使用。

基本工作流程（如图1所示）：

图1 基本工作流程图

2.工程实践

2.1 测区概况

测区位于江苏省，主要为居民区，选择部分测区面积约为4.32km2，测区地形复杂高差较大。测区内共布设了35个像控点，点间距约为120m。

航飞无人机飞行平台为Motorsky-Q5四代，航线设计根据线路走向进行航线设计共设计飞行6个架次，根据要求测量线路宽度，单架次5条航线。航摄像片15454张，POS数据7149个，设计飞行相对高度120 m，航向重叠度80%，旁向重叠度65%，飞行信息（如表1所示）：

表1 飞行信息

2.2 内业处理

本次数据生产选择使用适普公司与武汉大学测绘学院研制的VirtuoZo全数字摄影测量系统，影像匹配技术是该系统核心功能，VirtuoZo全数字摄影测量系统是处理无人机倾斜摄影测量数据的重要平台，功能全面强大，设计人性化、交互界面清晰简洁，是一个可供多种格式数据进行数据处理的系统，同时也具备了测图自动化程度高、匹配算法精度高、解算速度快、成果可实现三维展示等优势，能够完成从影像定向、匹配、整饰到各种比例尺地形图成图的一体化处理方案。在测量行业有着很重要的地位。VirtuoZo系统功能全面是实现生产高精度DOM产品的重要基础，其功能包含了影像数据的管理、影像数据的定向、核线生成、基于核线的影像匹配以及模型拼接。VirtuoZo系统DOM产品生产工艺流程图（如图2所示），DOM成果、数字地形图成果详情（如图3、图4所示）：

图2 VirtuoZo系统DOM产品生产工艺流程图

图3 DOM成果

图4 数字地形图

3.地形图绘制与精度评定

3.1 地形图绘制

地形图内业采集按全要素地形图测绘要求采集地形图要素，采集过程中必须满足以下要求：

（1）数据采集需依据内业立体模型，结合外业调绘完成绘图，以此原则进行绘图处理。对于存在的问题，需内外业结合，确定存在的合理性，再进行绘图处理，以确保成图精度。绘图时要保证要素采集的全面性，保证其要素不存在位移、变形、错漏等情况即实现全要素正确采集，地形要素完整全面提取；

（2）数据采集时针对部分依比例尺地物符号时，应以测标中心切准轮廓线或拐点连线，针对不依比例尺地物符号，采集时应以测标中心切准基点、结点、定位线。对模型不清楚，无法准确定位时，不能采集；

（3）内业绘图工作中，要素的采集工作要结合属性编辑以保证其正确性和连贯性，采集的同时需编辑相关属性内容，使要素完成内业采集的同时，除部分存在不确定性的要素，其他要素属性特点尽可能的全面。确定其属性特点有利于外业调绘工作地开展，对产品质量的提高有着重要意义；

（4）针对存在逻辑关系的相关要素，在内业采集前要确定其先后顺序关系，确保其合理性使其要素之间逻辑关系正确；

（5）特殊要素要进行分类绘图。采取不同的绘图方法进行内业全要素采集。针对公共道路上的各种管道检修井孔（热力、电力、电讯、排水、给水、煤气、天然气等）详细分类采集。对于临时开挖的大面积工地，采用高程注记、等高线等方式进行详细标记；

（6）具有方向性的线状符号，以锯齿位置表示其方向性，要求锯齿位置在其右侧；

（7）外业调绘采集时以内业完成的临时线划图为依据进行现场实地勘察、补测。外业调绘的工作内容包括对内业采集工作的精度分析，对内业中存在的影像模糊、遮挡无法判定的地物进行外业补测补充其相关数据，确保绘图精度，进行部分高程数据采集，进行要素名称调绘；

（8）针对地物取舍以及临时变动情况，外业调绘需结合内业绘图要求。对于补测、修改的数据资料，外业调绘时需详细明确标记其位置、属性等相关信息；针对临时变动或外业数据采集完成后拆除的建筑，即存在影像现实却被拆除，无法基线表示的地物，用红色“×”划去，并进行详细说明。

整体要素全采集工作整个环节需严格依照《城市测量规范（CJJ T8－2011）》要求和《地形图编绘及图式》，除此之外，该过程处于立体测图与数据编辑的中间阶段，需整体考虑顾及内外成果，更好地提高产品质量。

3.2 DOM的生产指标

（1）分幅方式及大小。按照GB/T 20257.1规定，采用50cm×50cm的图幅向四边扩展图上约10mm提供数据；像素大小：数字影像图地面分辨率为0.1m；数据格式：无压缩的TIF+TFW格式，数据扩展名为*.TIF；数据色彩：彩色；其他要求：色调基本保持一致，图幅之间要注意几何精度和色彩的接边；

（2）DOM精度指标。地面上明显地物点对邻近野外控制点平面位置的点位中误差最大值不超过0.6m（最大误差为中误差的2倍）。相邻像幅的接边差最大不超过2个像元；

（3）影像质量要求。影像清晰，反差适中，色彩及色调均匀，影像无模糊、错位、扭曲、拉花等现象，保证影像数据的连续、无缝和视觉一致性，影像的灰度直方图尽可能布满0-255个灰阶，并基本接近正态分布。

3.3精度评定

本次精度评定主要内容为大比例尺地形图的精度评定，按规范要求平面点位精度和高程注记点精度要求（如表2所示）：

表2 一般地区、城镇建筑区地形摄影测量的基本精度

选取测图部分区域均匀分布的10个检查点，采用RTK技术测量，并进行精度评定，基本等高为1m，平面和高程误差统计（如表3所示），误差统计图（如图5所示）：

图5 监测响应时间对比

表3 误差统计表

图5 误差统计图

根据表中ΔH、ΔS可依据中误差公式（1）可分别求出检测点平面中误差和高程中误差。

计算可得Ms=0.309m，1∶500大比例尺地形图图上距离则为0.618mm，MH=0.415m，小于1/2基本等高距，由图4可知，高程中误差变化情况比平面误差变化大，但计算结构仍满足大比例尺地形图精度要求。

4.结束语

本文从地理信息平台基础数据产品生产出发，提出无人机倾斜摄影测量技术结合VirtuoZo软件进行DOM产品生成的工作流程，并进行了精度检验，得出以下结论：

（1）无人机倾斜摄影测量技术实现了影像数据的快速获取，同时，在数据处理过程中充分发挥了VirtuoZo软件交互式编辑功能，快速高精度地生成了数字正射影像和数字线划图，实现了大比例地形图的测绘；

（2）目前无人机数据采集过程中受天气情况影响较大，容易出现数据质量较差等情况，接下来会在质量较差的影像数据生产DOM产品工作中进行深入研究。