攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖效率的提高方法

姚 林，陳 旭

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)的生產(chǎn)研究需要內(nèi)容豐富、形式多樣、應(yīng)用實(shí)時(shí)的地形圖成果[1-2]。傳統(tǒng)的地形圖數(shù)字化測(cè)繪工作主要利用全站儀、GNSS 設(shè)備在野外采集地形數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)成圖軟件的人機(jī)交互編輯完成地形圖數(shù)字化制圖工作。野外測(cè)圖模式工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、成果形式單一，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化測(cè)繪的需求。近年來(lái)無(wú)人機(jī)制造工藝、飛行性能、載荷設(shè)備及配套軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)以其機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、生產(chǎn)成本低、現(xiàn)勢(shì)性好和產(chǎn)品成果豐富等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代原有的野外工測(cè)制圖模式，成為現(xiàn)代地形圖測(cè)繪的主流技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于工民建、國(guó)土、交通及電力等多個(gè)行業(yè)。

目前，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量外業(yè)航攝工作自動(dòng)化程度高，可高效獲取地面影像數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)工程建設(shè)對(duì)正射影像、三維實(shí)景模型等地理信息數(shù)據(jù)的需求。而攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖工序繁雜，自動(dòng)化程度低，人工參與度高，生產(chǎn)速度慢，成為影響地形圖生產(chǎn)周期的最重要因素。地形圖需求的日益增長(zhǎng)給內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖效率提出了更高的要求，如何快速完成數(shù)字測(cè)圖工作，滿足各行業(yè)生產(chǎn)建設(shè)應(yīng)用的要求，成為數(shù)字地形圖生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。

1 數(shù)字測(cè)圖效率的影響因素分析

內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖是使用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，通過(guò)影像數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，將攝影測(cè)量的基本原理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合，從數(shù)字影像中提取所攝對(duì)象用數(shù)字化的方式表達(dá)的幾何與物理信息，進(jìn)而生成所需的工程圖件[3]。文章結(jié)合數(shù)字測(cè)圖工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)數(shù)字測(cè)圖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，梳理內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)中存在的難點(diǎn)，總結(jié)影響數(shù)字測(cè)圖效率的因素。

1.1 航攝成果質(zhì)量

數(shù)字測(cè)圖不是一個(gè)孤立的過(guò)程，需要依托于航空攝影、像片控制測(cè)量、空三加密等多個(gè)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)之間既相互協(xié)調(diào)，又相互影響，每個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)施都會(huì)影響到最終航測(cè)成果的質(zhì)量。航攝成果的質(zhì)量是保證數(shù)字測(cè)圖精度指標(biāo)和測(cè)圖效率的基礎(chǔ)，是保障數(shù)字測(cè)圖工作正常開(kāi)展的關(guān)鍵。

1.2 作業(yè)人員技術(shù)水平

內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖工作基本由人工操作完成，作業(yè)人員技術(shù)水平和作業(yè)態(tài)度對(duì)測(cè)圖效果影響較大。作業(yè)人員技術(shù)水平主要體現(xiàn)在測(cè)圖理論知識(shí)及相關(guān)規(guī)范的理解程度、測(cè)圖軟件操作的熟練程度、數(shù)字測(cè)圖相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)等方面，技術(shù)水平的欠缺將直接影響數(shù)字測(cè)圖的效率。

1.3 測(cè)圖軟件與參數(shù)配置

測(cè)繪技術(shù)發(fā)展日新月異，內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖軟件不斷更新升級(jí)，目前航天遠(yuǎn)景MapMatrix 軟件、清華三維EPS 軟件、南方CASS 軟件和北京四維JX-4 軟件等在數(shù)字測(cè)圖領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)測(cè)圖使用的數(shù)據(jù)源類型、測(cè)圖作業(yè)方式、人員作業(yè)習(xí)慣等正確選擇適用的測(cè)圖軟件和合理配置軟件參數(shù)，可以提高數(shù)字測(cè)圖的作業(yè)效率。

1.4 測(cè)圖作業(yè)體系

內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖作業(yè)體系是指導(dǎo)內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖工作有序開(kāi)展的基礎(chǔ)，測(cè)圖作業(yè)體系可以根據(jù)技術(shù)要求和作業(yè)習(xí)慣，定制合理地形圖的成圖工序、作業(yè)流程、技術(shù)方法和成品樣式。按照技術(shù)要求開(kāi)展采集、編輯、質(zhì)量檢查工作，避免作業(yè)人員對(duì)作業(yè)內(nèi)容、技術(shù)要求等產(chǎn)生理解偏差，減少地形圖后期編輯檢查的工作量，保證測(cè)圖工作高效、有序地開(kāi)展。

1.5 數(shù)字測(cè)圖智能化程度

面對(duì)全社會(huì)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的時(shí)代浪潮以及“第四次工業(yè)革命”的影響，研發(fā)以知識(shí)為引導(dǎo)、算法為基礎(chǔ)的智能化測(cè)繪技術(shù)，推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和事業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[4]。攝影測(cè)量軟硬件技術(shù)的進(jìn)步在一定程度上提高了測(cè)圖作業(yè)的效率，但目前內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖工作仍然以人工采編為主，數(shù)字測(cè)圖智能化程度偏低，這嚴(yán)重影響數(shù)字測(cè)圖的工作效率。

2 提高數(shù)字測(cè)圖效率的措施

內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖采集、編輯、整飾工作量較大，人工參與度高，文章從測(cè)圖生產(chǎn)人員、軟件、技術(shù)方法等方面制定技術(shù)解決方案，提高數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)效率。

2.1 航攝成果質(zhì)量控制

梳理航攝作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，分析影響航攝成果質(zhì)量的因素并制定控制措施，開(kāi)展飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量、像片控制測(cè)量質(zhì)量和空中三角測(cè)量質(zhì)量的控制檢查，保證各環(huán)節(jié)之間提交的成果滿足技術(shù)規(guī)范和下一道工序的要求。在內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖之前，做好充分的準(zhǔn)備，對(duì)測(cè)圖所需數(shù)據(jù)資料進(jìn)行檢查分析，確保使用資料的準(zhǔn)確性。

2.2 作業(yè)人員技術(shù)水平提升

作業(yè)人員的技術(shù)能力需要掌握扎實(shí)的測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)、進(jìn)行專業(yè)的操作技能培訓(xùn)和長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐積累。抓好作業(yè)人員的技能提升，建立科學(xué)有效的管理方法和獎(jiǎng)懲制度是提高數(shù)字測(cè)圖效率的重要措施。測(cè)繪行業(yè)專業(yè)性較強(qiáng)，內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖技術(shù)和軟件更新發(fā)展較快，從事測(cè)圖生產(chǎn)的技術(shù)人員需要定期進(jìn)行培訓(xùn)、學(xué)習(xí)，有計(jì)劃、分層次地組織崗位技術(shù)培訓(xùn)，加強(qiáng)作業(yè)人員對(duì)相關(guān)規(guī)范、軟件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)和理解，提高作業(yè)人員專業(yè)技能水平。

2.3 測(cè)圖軟件選擇

本文根據(jù)公司作業(yè)習(xí)慣和工作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)綜合比對(duì)，選用航天遠(yuǎn)景MapMatrix 軟件和南方CASS 軟件配合完成內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖工作。其中，MapMatrix 軟件支持多源數(shù)據(jù)處理，采編、質(zhì)檢功能強(qiáng)大[5]，主要用于地形圖的采集和質(zhì)檢工作；CASS 軟件基于AutoCAD 軟件開(kāi)發(fā)，軟件操作便捷、通用性強(qiáng)，主要用于地形圖的編輯和整飾工作。

2.4 合理的軟件配置

參照規(guī)范要求，進(jìn)行軟件參數(shù)、符號(hào)庫(kù)的合理配置，確保地形圖成果導(dǎo)出線型和符號(hào)的大小、樣式、顏色符合要求。合理設(shè)置地物采集線型、錄入屬性等配置方案，可減少地形圖編輯工作。根據(jù)作業(yè)習(xí)慣合理設(shè)置軟件工具欄布局位置和快捷鍵命令，方便左右手協(xié)調(diào)作業(yè)[6]，提高軟件操作的便捷性和實(shí)用性。

2.5 規(guī)范的測(cè)圖方法

作業(yè)人員按照合理規(guī)范的流程、方法開(kāi)展測(cè)圖生產(chǎn)，可以提高數(shù)字測(cè)圖的生產(chǎn)效率。規(guī)范的地形圖采集工序可加快采集速度，減少地物漏測(cè)的概率。采集地物時(shí)正確使用捕捉、閉合、直角化設(shè)置，可減輕后續(xù)地形圖編輯的工作量。采用道路等明顯易分的地物作為相鄰分區(qū)的分區(qū)線，可以減少地形圖接邊工作。

2.6 裸眼測(cè)圖技術(shù)

基于傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景模型的裸眼測(cè)圖技術(shù)具有模型精細(xì)、視野廣闊、無(wú)需佩戴立體眼鏡等優(yōu)勢(shì)，相比于傳統(tǒng)立體測(cè)圖生產(chǎn)效率更高。對(duì)于植被稀少地區(qū)，可優(yōu)先選用裸眼測(cè)圖技術(shù)。

2.7 數(shù)字測(cè)圖智能化生產(chǎn)

結(jié)合數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分析數(shù)字測(cè)圖中各類復(fù)雜、重復(fù)工作，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件定制開(kāi)發(fā)數(shù)字測(cè)圖智能化工具，利用軟件操作代替或輔助完成重復(fù)性人工操作，可大幅度提高數(shù)字測(cè)圖效率。智能化測(cè)圖可從以下2方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.7.1 充分挖掘現(xiàn)有商業(yè)軟件的制圖功能

商業(yè)測(cè)圖軟件提供了較多的通用型輔助制圖工具，可挖掘這些軟件輔助制圖生產(chǎn)的方法、技巧，解決制圖生產(chǎn)中的難題。如MapMatrix 軟件提供的地形圖檢查功能，可以定制“點(diǎn)線矛盾”“等高線合法性”“等高線缺失”“線線相交”等檢查功能，快速實(shí)現(xiàn)地形圖質(zhì)量檢查和錯(cuò)誤編輯修改工作。CASS軟件提供的“復(fù)合線濾波”和“復(fù)合線處理”功能可以快速實(shí)現(xiàn)地形圖線型轉(zhuǎn)換和圖形輕量化功能。

2.7.2 定制開(kāi)發(fā)制圖工具

結(jié)合數(shù)字測(cè)圖工作需求，針對(duì)內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)過(guò)程中存在簡(jiǎn)單、重復(fù)性的作業(yè)工序，定制開(kāi)發(fā)制圖工具實(shí)現(xiàn)地形圖采集、編圖、整飾工作批量自動(dòng)化處理的方案，以提高內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖效率和規(guī)范地形圖測(cè)圖質(zhì)量。

3 智能化制圖工具的定制開(kāi)發(fā)

文章在AutoCAD 2016 軟件中引入VBA 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求，定制開(kāi)發(fā)高程點(diǎn)濾波、等高線接邊、等高線修剪和道路注記等批處理智能化制圖工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)的程序化處理。

3.1 高程點(diǎn)濾波工具

按照規(guī)范要求，高程注記點(diǎn)應(yīng)選在明顯地物點(diǎn)或地形特征點(diǎn)上，依據(jù)地形類別及地物點(diǎn)和地形點(diǎn)的數(shù)量，密度為每100 cm3內(nèi)5～20 個(gè)[7]。為保證地形圖測(cè)圖的精度，內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)過(guò)程中采集高程點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)大于圖面整飾要求，需要進(jìn)行高程點(diǎn)濾波工作。

高程點(diǎn)濾波工具首先提取地形圖中山頭、谷地等地形特征點(diǎn)和坡坎等地物的高程點(diǎn)，在山頭、谷地處保留地形特征點(diǎn)的高程注記點(diǎn)。坡坎地物按照輸入的格網(wǎng)間距依次篩選坎上、坎下高程點(diǎn)，并確保每條坡坎至少有1 對(duì)高程注記點(diǎn)。對(duì)于沒(méi)有特征點(diǎn)填充的格網(wǎng)，取格網(wǎng)中間的普通高程注記點(diǎn)補(bǔ)充。高程點(diǎn)濾波工具提取的高程注記點(diǎn)更符合規(guī)范要求，大大減少了高程點(diǎn)檢查、修改的工作量，高程點(diǎn)濾波工具功能流程圖如圖1 所示。

圖1 高程點(diǎn)濾波工具功能流程圖

3.2 等高線接邊工具

攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖的面積較大，在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)需要將地形圖分成多塊以便多人同時(shí)開(kāi)展測(cè)圖工作，分區(qū)地形圖生產(chǎn)完成后需進(jìn)行等高線接邊工作。此外，測(cè)圖生產(chǎn)中時(shí)常遇到地形圖的測(cè)量范圍發(fā)生變化的情況，需要進(jìn)行地形圖的補(bǔ)測(cè)工作，新測(cè)地形圖也需要和前期地形圖進(jìn)行等高線接邊。傳統(tǒng)的等高線接邊方法是作業(yè)人員手工拖動(dòng)等高線進(jìn)行連接，十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。文章根據(jù)地形圖等高線接邊的特點(diǎn)和要求，針對(duì)分片區(qū)采集等高線接邊和補(bǔ)圖等高線接邊2 種情況，編制程序?qū)崿F(xiàn)等高線自動(dòng)接邊處理。

等高線是在采集高程點(diǎn)所構(gòu)成的三角網(wǎng)基礎(chǔ)上生成的，相同點(diǎn)位構(gòu)網(wǎng)生成的等高線是一致的。內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖劃定測(cè)圖分區(qū)時(shí)，相鄰測(cè)區(qū)的作業(yè)人員首先畫(huà)定一條公共的3D 線作為分區(qū)邊界，測(cè)區(qū)間相同的3D 分區(qū)線可以確保相鄰作業(yè)人員采集的接邊處等高線位置、高程一致。等高線接邊工具按照輸入的閾值，自動(dòng)將2 個(gè)測(cè)區(qū)中容差范圍內(nèi)的相同高程等高線連接起來(lái)。

地形圖補(bǔ)圖生產(chǎn)時(shí)，新老地形圖之間沒(méi)有事先畫(huà)定的分割邊線。等高線接邊工具將首先按照輸入的范圍提取前期地形圖中的三角網(wǎng)邊界數(shù)據(jù)，作為新舊地形圖接邊的3D 分割線，后續(xù)等高線接邊方法和分片區(qū)采集等高線接邊相同。等高線接邊工具功能流程圖如圖2 所示。

圖2 等高線接邊工具功能流程圖

3.3 等高線修剪工具

按照規(guī)范要求，等高線遇到房屋、道路、坡坎和水系等面狀、雙線表示的符號(hào)時(shí)，應(yīng)表示至符號(hào)邊線[7]。內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)中繪制的等高線一般為連續(xù)不間斷的多段線，地形圖編輯過(guò)程中需要修剪地物中間的等高線。傳統(tǒng)的人工修剪等高線作業(yè)模式工作量大，漏修率高。

等高線修剪工具首先選擇需要修剪等高線的地物圖層，從地形圖數(shù)據(jù)中提取這些圖層中的雙線地物，按照設(shè)定的閾值將雙線地物生成面。再提取選取圖層中的面狀地物，將提取的面狀范圍和雙線生成的面狀范圍一起用于修剪地形圖中的等高線數(shù)據(jù)。等高線修剪工具功能流程圖如圖3 所示。

圖3 等高線修剪工具功能流程圖

3.4 道路注記

按照規(guī)范要求，地形圖上應(yīng)每隔15～20 cm 注出道路名稱、代碼、材料等[7]。人工道路注記方法工作量大，注記密度不統(tǒng)一，道路注記漏注、錯(cuò)注情況時(shí)常發(fā)生。

道路注記工具首先從地形圖數(shù)據(jù)中提取雙線道路，按照設(shè)定的閾值將雙線道路生成面狀道路。從地形圖中提取對(duì)應(yīng)道路的注記屬性，根據(jù)面狀道路范圍，將道路屬性按照輸入的注記間距依次進(jìn)行道路注記工作，保證道路注記位置、密度的準(zhǔn)確性。道路注記工具功能流程圖如圖4 所示。

圖4 道路注記工具功能流程圖

4 數(shù)字測(cè)圖提效研究應(yīng)用

文章以山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)1∶2 000 內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過(guò)工程項(xiàng)目應(yīng)用效果分析，總結(jié)驗(yàn)證攝影測(cè)量數(shù)字測(cè)圖提效研究的實(shí)用性。

4.1 工程概況

為滿足工程項(xiàng)目前期立項(xiàng)審批和規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求，風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目需要短時(shí)間內(nèi)完成內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖工作，及時(shí)提交項(xiàng)目的1∶2 000 地形圖成果。風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目測(cè)區(qū)內(nèi)植被茂密、地形起伏大、地物復(fù)雜多樣、成圖面積大，地形圖內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖難度較大。

4.2 測(cè)圖提效研究實(shí)施效果

風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)像控測(cè)量和空三處理后生成作業(yè)區(qū)的三維立測(cè)模型，在測(cè)量精度檢查合格后開(kāi)展數(shù)字測(cè)圖工作。本文按照航空攝影內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖的先后順序，對(duì)測(cè)圖中的生產(chǎn)工序進(jìn)行歸納，將測(cè)圖工序分解為準(zhǔn)備工作、地形圖數(shù)據(jù)采集、地形圖數(shù)據(jù)編輯、分幅整飾及質(zhì)量檢查5 個(gè)工序。在數(shù)字測(cè)圖提效研究前后，分別選取難度相近的3 個(gè)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)項(xiàng)目的數(shù)字測(cè)圖各工序用時(shí)和項(xiàng)目總用時(shí)情況，見(jiàn)表1。根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的面積、總用時(shí)信息，計(jì)算每個(gè)項(xiàng)目的生產(chǎn)效率，并分別統(tǒng)計(jì)測(cè)圖提效研究前后的測(cè)圖平均效率，見(jiàn)表2。

表1 數(shù)字測(cè)圖工序用時(shí)統(tǒng)計(jì)表d

表2 數(shù)字測(cè)圖生產(chǎn)效率統(tǒng)計(jì)表

工程應(yīng)用結(jié)果表明：數(shù)字測(cè)圖各工序中，地形圖采集、地形圖編輯和質(zhì)量檢查3 個(gè)工序用時(shí)較多，占到總用時(shí)的95.6%。在數(shù)字測(cè)圖提效研究后，主要工序的生產(chǎn)效率大幅度提升，航測(cè)地形圖的總體生產(chǎn)效率由提效研究前的0.41 km2/人/d，提升為提效研究后的0.91 km2/人/d，測(cè)圖效率提升了220%。工程應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了文章數(shù)字測(cè)圖提效研究成果的可行性和實(shí)用性，研究提高了數(shù)字測(cè)圖自動(dòng)化處理能力，減輕了數(shù)字測(cè)圖的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了數(shù)字測(cè)圖的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

熟悉的軟件操作，過(guò)硬的專業(yè)技能，良好的作業(yè)習(xí)慣，再加上智能化的測(cè)圖工具構(gòu)建了快速高效的內(nèi)業(yè)數(shù)字測(cè)圖體系。本文總結(jié)的提高無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)字測(cè)圖的技術(shù)方法在提高測(cè)圖工作效率、減輕作業(yè)人員勞務(wù)強(qiáng)度和保障數(shù)字測(cè)圖成果質(zhì)量方面都發(fā)揮了重要作用，研究可以更好地滿足各行業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的用圖需求，在工程中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。