低空機(jī)載GPS攝影測(cè)量在1∶1000地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

劉德明

(合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230061)

1 前言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市規(guī)劃對(duì)基礎(chǔ)地理信息的供需矛盾日漸突出。為適應(yīng)快速發(fā)展的城市建設(shè)需求，合理、有效地利用土地資源，及時(shí)提供滿足城市規(guī)劃需要的、現(xiàn)狀的地形圖是城市規(guī)劃測(cè)繪單位必須解決的課題。結(jié)合項(xiàng)目的生產(chǎn)，本文在這方面進(jìn)行了有效的嘗試。

試驗(yàn)項(xiàng)目位于某開發(fā)區(qū)，遠(yuǎn)離市區(qū)，委托單位要求以最快的速度提供 23.5 km21∶1 000全要素現(xiàn)狀地形圖。項(xiàng)目從2013年9月下旬開始～2013年10月中、下旬提交成果，時(shí)間要求緊，利用傳統(tǒng)的全野外數(shù)字化成圖方法無法按期完成，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、分析，決定采用低空機(jī)載GPS輔助航空攝影測(cè)量方法完成此項(xiàng)工作。針對(duì)該項(xiàng)目的特點(diǎn)，制定了周密的實(shí)施計(jì)劃，保證了項(xiàng)目的順利完成。成果經(jīng)檢測(cè)，地形圖各項(xiàng)數(shù)學(xué)精度均達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)。

2 低空機(jī)載GPS輔助航空攝影

2.1 航攝儀

本項(xiàng)目選用瑞士萊卡公司生產(chǎn)的具有雙向像移補(bǔ)償功能的中幅面單中心投影數(shù)碼航攝儀RCD30，進(jìn)行機(jī)載GPS輔助數(shù)碼航空攝影，該相機(jī)成像單元具有RGBN四個(gè)波段，除提供彩色波段外，另外提供近紅外波段影像，較常規(guī)數(shù)碼航攝儀，具有更高的影像清晰度，便于提高影像量測(cè)精度。

RCD30航攝儀主要技術(shù)參數(shù):

2.2 機(jī)載GPS數(shù)據(jù)要求

(1)機(jī)載GPS采用雙頻量測(cè)型GPS，天線與飛機(jī)固連，量測(cè)3個(gè)偏移分量至厘米;

(2)作業(yè)時(shí)，GPS采樣頻率設(shè)置為2 Hz;

(3)機(jī)載數(shù)據(jù)需連續(xù)不間斷，起飛前 15 min開機(jī)，飛行結(jié)束 15 min后關(guān)機(jī);相機(jī)曝光脈沖記錄不得遺漏;

(4)采用精密星歷，解算每一曝光點(diǎn)的3個(gè)線元素之相對(duì)坐標(biāo)。

本測(cè)區(qū)共飛行10條航線，其中8條測(cè)圖航線，2條交叉航線，346張格式為TIF文件的航攝影像數(shù)據(jù)。平均地面分辨率小于 10 cm。航向重疊61%～70%，旁向重疊平均35%。影像清晰、層次豐富、反差適中、色調(diào)均勻，相同地物的色彩基本一致。無漏洞。

3 像片控制測(cè)量與空三加密

3.1 像片控制測(cè)量

與常規(guī)航空攝影相比，本次航攝使用的是中幅面像幅相機(jī)，如果按現(xiàn)行規(guī)范要求布設(shè)像控點(diǎn)，則像控點(diǎn)的數(shù)量和像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)工作量非常大。為此按下列方式布設(shè)像控點(diǎn)。

(1)當(dāng)交叉航線覆蓋完整時(shí)，測(cè)區(qū)每子區(qū)選刺4個(gè)平高控制點(diǎn);當(dāng)交叉航線覆蓋不完整，在子區(qū)端布設(shè)平高控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)。

(2)像控點(diǎn)布設(shè)在交叉航線與子區(qū)最外兩條測(cè)圖航線交叉中間部分，如果滿足不了條件，可布設(shè)高程控制點(diǎn)，并在左右10條基線內(nèi)選擇平高控制點(diǎn)彌補(bǔ)。布點(diǎn)略圖如圖1所示。

(3)測(cè)區(qū)每子區(qū)均勻選刺不少于10個(gè)平高碎部檢查點(diǎn)，以檢測(cè)和評(píng)價(jià)機(jī)載GPS輔助空中三角測(cè)量精度。

圖1 有交叉航線的機(jī)載GPS輔助航空攝影區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)圖

像控點(diǎn)采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量。

在測(cè)量像控點(diǎn)和平高碎部檢查點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)照航攝索引圖均勻測(cè)量部分高程碎部點(diǎn)，供內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，高程修正使用。

3.2 空三加密

空三加密前應(yīng)先設(shè)計(jì)好加密區(qū)域，一般同外業(yè)布點(diǎn)區(qū)域，必要時(shí)可合并相鄰區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一平差，減少加密接邊，提高整體精度。

加密選點(diǎn)前先對(duì)航攝像片自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)定向，需要使用焦距、像素大小、像素行數(shù)/列數(shù)、像素值參考位置等航攝儀鑒定資料以及坐標(biāo)系統(tǒng)方向等自動(dòng)內(nèi)定向。內(nèi)定向后進(jìn)行像片加密點(diǎn)選點(diǎn)，然后相對(duì)定向。

空三模型連接點(diǎn)采用機(jī)載GPS輔助空三軟件嚴(yán)格按照攝影測(cè)量原理進(jìn)行內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)的自動(dòng)選取以及測(cè)圖航線與交叉航線之間的精密轉(zhuǎn)點(diǎn)。確保6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位模型連接點(diǎn)的充足性，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位缺少模型連接點(diǎn)時(shí)，必須手工添加，自動(dòng)匹配，補(bǔ)齊標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位點(diǎn)。

內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)由軟件自動(dòng)編號(hào)。測(cè)圖航線模型連接點(diǎn)與交叉航線轉(zhuǎn)點(diǎn)完成后，交叉航線標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位模型連接必須補(bǔ)充完整。

內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)滿足6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位完整的情況下，其余的模型連接點(diǎn)，一般在100以內(nèi)為宜。

本測(cè)區(qū)共分4個(gè)子區(qū)進(jìn)行加密。區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算采用機(jī)載GPS輔助空三平差軟件WuCaps。區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)表 表1

本測(cè)區(qū)共設(shè)置56個(gè)保密檢查點(diǎn)，區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算成果與外業(yè)測(cè)量成果進(jìn)行比對(duì)，較差全部小于規(guī)范(程)規(guī)定的限差要求，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，檢查點(diǎn)不符值中誤差平面位置為 ±0.074 m，高程為 ±0.106 m。不符值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算檢查點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)表 表2

從平差結(jié)果看，采用交叉航線的方式航攝，使用機(jī)載GPS輔助空三平差軟件WuCaps進(jìn)行平差計(jì)算，使成果精度更可靠。同時(shí)也減少了攝影測(cè)量空三加密對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴。

4 1∶1 000地形圖數(shù)據(jù)采集

采用VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行立體數(shù)字測(cè)圖。在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上，將空三加密數(shù)據(jù)導(dǎo)入，自動(dòng)恢復(fù)大地模型，全要素采集地形、地物要素。

由于本次航攝的地面分辨率較高(GSD＜10 cm)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集能判別地物性質(zhì)的地物，如:房屋的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和層數(shù)，各種架空管線的性質(zhì)和走向，溝塘水面等全部在圖中標(biāo)注地物的屬性，盡量減少下道工序的工作量。

采集高程注記點(diǎn)和等高線時(shí)，比對(duì)外業(yè)實(shí)測(cè)的高程碎部點(diǎn)，進(jìn)行高程修正，提高高程精度。

對(duì)于隱蔽、遮擋地物，凡影像清楚的部分均要采集，以方便外業(yè)利用其定位，同時(shí)在對(duì)應(yīng)的位置作醒目標(biāo)記，提醒外業(yè)補(bǔ)調(diào)。

5 外業(yè)調(diào)繪與數(shù)據(jù)編輯

5.1 外業(yè)調(diào)繪

對(duì)照航測(cè)原圖，調(diào)注地理名稱、屋檐尺寸、地物性質(zhì)及植被，按《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》規(guī)定符號(hào)在圖上標(biāo)注。

對(duì)于內(nèi)業(yè)無法采集的隱蔽、遮擋地物，根據(jù)周邊明顯地物，采用交會(huì)法、截距法或直角關(guān)系等方法進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

為提高高程精度，外業(yè)調(diào)繪時(shí)逐幅對(duì)非硬化區(qū)域的大塊平地、平坦區(qū)域的農(nóng)田均勻?qū)崪y(cè)部分高程點(diǎn)，點(diǎn)位盡量選在內(nèi)業(yè)測(cè)注的同名點(diǎn)上，分布均勻，以便內(nèi)業(yè)對(duì)高程進(jìn)行二次修正。

對(duì)于硬化鋪裝地面，高程注記點(diǎn)外業(yè)實(shí)測(cè)。

5.2 數(shù)據(jù)編輯

地形圖數(shù)據(jù)格式采用AutoCAD的DWG格式，數(shù)據(jù)編輯使用南方CASS軟件。數(shù)據(jù)分層、屬性代碼隨軟件。

數(shù)據(jù)編輯的主要工作是屋檐改正，套合外業(yè)補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)照外業(yè)實(shí)測(cè)的高程點(diǎn)，對(duì)航內(nèi)采集的高程進(jìn)行二次修正。按《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖圖式》要求配置符號(hào)、注記文字，賦地形圖中各要素的屬性值，按規(guī)定的要求進(jìn)行圖外整飾等工作。

項(xiàng)目結(jié)束后，對(duì)項(xiàng)目成果進(jìn)行了全面的檢查，重點(diǎn)檢查了地形圖的數(shù)學(xué)精度，為此外業(yè)隨機(jī)設(shè)站，共檢測(cè)地物點(diǎn)231點(diǎn)、高程點(diǎn)183點(diǎn)，巡視丈量地物點(diǎn)間距263條邊，檢測(cè)值與成果值比較計(jì)算得:地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±0.23 m(允許±0.50 m)，臨近地物間距中誤差±0.21 m(允許±0.40 m)，硬化鋪裝地面高程中誤差±0.13 m(設(shè)計(jì)書規(guī)定 ±0.15 m)、非鋪裝地面高程中誤差±0.19 m(設(shè)計(jì)書規(guī)定 ±0.20 m)。地形圖數(shù)學(xué)精度達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)書規(guī)定的要求。

6 結(jié)語

低空攝影測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)眾所周知，但其缺點(diǎn)也非常明顯，尤其是拍攝的航攝像片幅面偏小、旋偏角大、航線彎曲度大，像片重疊度也不規(guī)范，這給空三加密帶來了困難，如按現(xiàn)行規(guī)范布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)，野外測(cè)量工作量則會(huì)非常大，因而無法顯現(xiàn)低空攝影測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

本項(xiàng)目如按現(xiàn)行《城市測(cè)量規(guī)范》“平高(高程)控制點(diǎn)間基線數(shù)≤8”要求，至少需要布設(shè)43個(gè)平高(高程)控制點(diǎn)，按交叉航線方式布設(shè)航線，進(jìn)行機(jī)載GPS輔助航空攝影，采用有交叉航線的機(jī)載GPS輔助航空攝影區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，空三加密區(qū)域網(wǎng)絕對(duì)定向僅使用平高控制點(diǎn)23個(gè)，減少像控點(diǎn)外業(yè)測(cè)量工作量近一半，降低了生產(chǎn)成本，且成圖質(zhì)量滿足規(guī)范要求，縮短了工期，成效明顯，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 竹林村，胡開全.幾種低空遙感系統(tǒng)對(duì)比分析［J］.城市勘測(cè)，2009(3):65～67.

［2］ 欒學(xué)科，姚喜，王志博等.航空數(shù)碼影像像控布點(diǎn)方案的研究［J］.城市勘測(cè)，2010(4):103～106.

［3］ 凡亦文，劉全海，高文濤等.無人機(jī)航空攝影測(cè)量在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用［A］.第十七屆中國遙感大會(huì)摘要集，2010.

［4］ 王志豪，劉萍.無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測(cè)圖實(shí)驗(yàn)分析［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011(7):18～20.

［5］ 袁修孝，高宇，鄒小容等.GPS輔助空中三角測(cè)量在低空航測(cè)大比例尺地形圖成圖中的應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2012，37(11):1289～1293.

［6］ 莫龍.低空航測(cè)技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的實(shí)踐和應(yīng)用［J］.城市勘測(cè)，2013(3):96～100.

［7］ CJJ/T 8－2011.城市測(cè)量規(guī)范［S］.

［8］ GB/T 7930－2008.1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范［S］.