基于数字航测的3D基础地理信息数据生产技术研究

2012年12月第6期
城市勘测
Urban Geotechnical Investigation ＆Surveying
Dec．2012No．6文章编号：1672－8262(2012)06－84－05
中图分类号：P237
文献标识码：A
基于数字航测的3D 基础地理信息数据生产技术研究
李苏东
*
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收稿日期：2012—03—19
作者简介：李苏东（1964—），男，高级工程师，主要从事摄影航测与遥感、地理信息系统、土地调查等工程的开发和研究工作。

（山东正元地理信息工程有限责任公司，山东济南250101）
摘
要：主要介绍在采用航测方法进行平坦地区1ʒ500比例尺“3D ”数字产品生产时，在保证质量的前提下，像控测量采用区域网布点与空三加密代替全野外布点，经实际验证达到规范要求;在航片及航测各工序质量严格满足现有规范的前提下，经检测的航测内业高程可达到0.5m 等高距地形图对高程精度的要求。

关键词：数字摄影测量;3D 数字产品;像控测量;区域网布点方法;全野外布点方法
以“周期短、成本低、效率高、精度匀、技术尖”为特点的航空摄影测量技术在经历了模拟摄影测量和解析摄影测量阶段后，已经发展到今天的全数字摄影测量时代，实现了摄影测量处理流程的全数字化。

正在进行“数字城市”地理空间框架建设的主要内容有三项，即：数据库（基础地理信息数据库和各种专题数据库）、地理空间信息公共平台及若干应用系统。

可见，数字3D 产品是“数字城市”建设中的基础地理信息数据库重要内容。

在统一的标准与规范基础上，采用数字航空摄影实现基础地理数据采集，可快速形成3D 数字产品。

经已经完成的“数字城市”地理空间框架建设事实表明，数字航测具有强大的生命力，是摄影测量的发展方向。

数字摄影测量也成为摄影测量界研究和应用的热点，已经成为快速获取3D 数字产品的主要技术手段。

根据航测项目生产作业经验，
3D 基础地理信息数据采集成本大、
周期长，在保证质量的前提下进行探索采用新方法或新工艺进行基础地理数据采集，进行技术研究，通过数据验证该方法或工艺成产数据的正确性，进而在其他项目中推广应用，从而推动技术进步。

1问题的提出
目前，通过数码航摄技术的引进消化、自主研发及
推广应用，大大提高了航摄影像的高分辨率和高精度。

数码航摄技术与GPS 全球定位系统、
IMU 惯性导航测量系统以及激光雷达测量系统集成进行航空摄影，其获得的影像数据在中小比例尺（1ʒ2000 1ʒ10000及以上）DLG 、
DEM 、DOM 和真三维建模中的应用更加广泛。

而航测法用于平坦地区的大比例尺3D 产品的生
产则存在较大的局限性，其主要原因为：
（1）采用航测方法进行1ʒ500地形图测绘时，即使采用航摄效果较好的地面分辨率达2.52cm 的航片，也需要按全野外布点方法进行像控测量，现有技术规范和标准不容许采用区域网布点方案，造成外业像控测量工作量较大，体现不出航测作业方法的优越性。

（2）对航测内业高程精度没有把握，尤其对平坦地区的航内高程精度能否达到规范要求，制约了航测技术在大比例尺数字产品生产中的应用。

2关键技术研究的目标和内容
航测遥感项目施工过程可分为7道工序，在满足
现有规程规范对精度要求的基础上，探索提高效率，降低劳动强度，节约成本的作业方法，对航测作业流程的有关工序或步骤进行改进优化，达到快速高效且降低成本完成航测工程项目的目的。

2.1
可进行改进的工序分析
第1道工序原始图像采集依赖于采集平台的改进和影像采集设备的发展，实际上就是整体科技进步，采用和购买好的飞行载台和高分辨率的影像拍摄仪器能达到效果，但留给作业单位进行改进的空间很小，主要依赖于外部条件。

第2道工序基础控制测量的技术和方法都比较成熟和先进，现在主要采用GPS 测量方法进行分级布网进行，改进的余地也很小。

第3道工序像片控制测量，可以一条航线段为单位布设像片控制点的航线网布点，也可以几条航线段或几幅图为一个区域布设像片控制点的区域网布点，还可以一张像片或一个立体像对为单位布设像片控制
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点的全野外布点等，但规范要求大比例尺图按全野外布点，可探索像片控制测量在平坦地区采用区域网布点代替全野外布点。

本项试验的成功可减少像片控制测量50%左右的工作量，另外在配合单基站CORS 可较大地提高效率，减少作业周期。

第4道工序3D 航测数字产品制作、第6道工序内业数据处理和图形编辑及第7道工序3D 数字产品数据库建设主要依赖于软件的自动化程度和作业员的熟练程度，只能通过软件开发努力、计算机硬件技术的进步和培训作业员上下工夫，
进行作业效率的提高，但作业方法及作业流程基本一致，进行创新的可能性较小。

第5道工序外业调绘与高程测量，无能是在人员投入还是在成本花销上，本工序在整个航测作业过程中都占较大比重。

外业调绘方法经过这几十年的发展已相对成熟。

在高程测量方面，随着数码航摄仪及数字摄影测量技术的发展，像片的分辨率已经很高，立体模型越来越精细，可探索采用以经检测的航测内业高程代替全野外高程测量方法，从而降低劳动强度，减少外业作业人员的数量，节约成本。

2.2
确定关键技术研究内容
通过以上分析，确定本次技术研究的内容为以下
两点：
①研究在平坦区域，像片控制测量采用区域网布点代替全野外布点，通过大量数据精细验证精度，看是否达到现有规程规范要求，
完善采用区域网布点进行像片控制测量的方法、流程及作业具体技术细节。

②研究在航测成图高程测量时，以经检测的航测内业代替全野外高程测量，通过外业高程检测来验证航测内业采集高程点的精度，是否满足现行规范对大比例尺地形图DLG 的高程精度要求。

高程精度要求为：基本等高距为0.5m 的平坦地区，其高程注记点相对于邻近图根点的高程中误差不大于ʃ0.15m 。

其他地区地形图高程精度按《城市测量规范》要求执行。

3
关键技术研究的实施
3.1
选择项目
在青岛城阳区1ʒ500航测项目、福建石狮1ʒ500
航测项目、青岛胶南1ʒ500航测项目、青岛平度市1ʒ500航测项目等4个项目进行了实际应用和成果检验，
4个航测项目位置如图1所示。

图1实际应用项目位置图
采用航测方法进行3D （DLG 、
DOM 及DEM ）数据采集的4个项目等高距均为0.5m ；在实际生产中共
布设了438个区域网，
采用全站仪或GPS －RTK 对所有图幅随机抽取50个 60个高程点进行外业测量高
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程，与航测内业高程进行精度统计，分析航测内业高程的正确性，外业共测量了181440个高程点来对比统计航测内业高程的精度，参与试验的各个项目的基本情况如表1所示。

试验项目基本情况表表1项目名称采用航摄仪航片地面分辨率/cm测区面积地形情况
青岛城阳项目DMC4．801ʒ500图282km21ʒ2000图273．2km2东面靠山，西、北两面是平原
青岛胶南项目DMC4．201ʒ500图127km2平原
青岛平度项目DMC4．801ʒ500图85km2平原
福建石狮项目UCXP2．521ʒ500图162km2中间丘陵四周平原
3.2研究方法
（1）外业像控测量采用区域网布点代替全野外布点方法
将测区划分为若干个区域，对较平坦地区布设区域网，区域单元大小不大于5条航线，每条航线的基线数不超过12条，同时为了提高像控点的精度，对每个像控点均采用GPS－RTK测量方法在不同时段两次独立观测其三维坐标；为了验证空三加密网的精度，从而保证内业测图精度，在每个区域网布设2 3个空三加密检查点，航测内业空三加密时将布设的2 3个检查点作为空三测量加密点，进行空三加密平差计算获得其坐标和高程并进行精度统计，同时为检测航测内业测图精度，在每个区域网内均匀施测了8 10个质量监控点，对航测内业测图进行精度统计。

区域网布点方法如下：
①布设平面网或平高网，其航线跨度、控制点间基线数不超过表2规定。

区域网布设要求表2航线数/条平高点间基线数/条高程点间基线数/条基线总数/条
4 54 52 48 12
图2区域网布设方式
②平高区域网一般沿周边布设6 8个平高点，区域网中间布设一个平高点，如图2（a）所示。

③当区域网的基线数大于10条而小于12条时，可采用如图2（b）的区域网布点方式。

④不规则区域网，应在凸角处增补平高点，凹角处增补高程点。

但当凹凸角之间距离超过2条基线时，凹角处亦应布平高点，如图2（c）所示。

（2）高程测量以经外业检测的航测内业高程代替全野外测量高程
为了验证航内高程能否满足1ʒ500DLG成图精度要求，因试验项目的1ʒ500DLG图的高程，航测外业工序采用全野外高程测量方法测绘DLG高程注记点，后利用经检查通过后的空三加密测量平差成果，在全数字摄影测量工作站上恢复立体模型并采集外业测绘高程注记点的航测内业高程，进行精度统计并分析航测内业的高程精度。

4产品精度验证
4.1空三加密精度检查验证
（1）空三加密检查点精度统计
4个试验项目共438个区域网中测量空三加密检查点1027个，其中高程检查点1027个，平面检查点618个参与精度统计，统计结果如表3所示。

空三加密检查点精度统计表3
测区名称精度验证内容检查数
中误差
/cm
测区面积
/km2
青岛城阳
项目
1ʒ500
DLG
检查点高程396ʃ5．91
检查点平面278ʃ4．90
282
青岛胶南
项目
1ʒ500
DLG
检查点高程189ʃ5．91
检查点平面123ʃ4．90
102
青岛平度
项目
1ʒ500
DLG
检查点高程201ʃ4．77
检查点平面87ʃ4．46
80
福建石狮
项目
1ʒ500
DLG
检查点高程241ʃ5．91
检查点平面130ʃ4．90
162（2）空三加密质量监控点精度统计
4个试验项目438个区域网，像控点的外业测量质量监控点3843个，以采用GPS－RTK测量方法实测的质量监控点外业观测值为真值，以航测内业DLG
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立体测图坐标作为测量值，按高精度检查中误差计算
公式进行精度统计，统计结果如表4所示。

空三加密质量监控点精度统计表4
测区名称精度验证
内容
质量监控
点数
中误差
/cm
超过限差
点数
粗差率
/%
青岛城阳项目监控点高程1749ʃ11．89291．65监控点平面1324ʃ16．7670．53
青岛胶南项目监控点高程612ʃ10．4391．47监控点平面521ʃ15．5850．96
青岛平度项目监控点高程507ʃ12．77152．96监控点平面492ʃ12．2061．22
福建石狮项目监控点高程975ʃ10．54212．15监控点平面836ʃ16．92131．56
通过表3及表4可见，空三加密网精度及采用空三加密网成果进行航测内业测图的测点精度达到现行规程规范要求。

4.2高程测量
对4个项目近6000余幅图随机抽取约60%的图幅的高程注记点进行航测内业高程采集，共采集航测内业高程点181440个（其中铺装路面上约71086点），后进行航内高程精度统计，以采用全站仪、GPS－RTK或水准仪进行测量的外业实测高程为真值按高精度检查中误差计算公式进行统计计算，计算得航内高程中误差为ʃ10.2cm（允许ʃ17cm）；其中铺装路面上的点位高程中误差为ʃ7.8cm（允许ʃ15cm）。

其统计结果如表5所示。

航内高程精度统计表表5测区名称中误差/cm总点数/个小于1倍中误差点数大于1倍小于2倍中误差点数大于2倍中误差点数超限点数/个青岛城阳10．45320072595848011052196青岛胶南11．28267432110535741390674青岛平度9．7619586161342786397269福建石狮10．1410310490135111121155702合计1814401533322227339941841比率/%10084．50812．2762．2011．015
4.3最终检查测点精度统计
采用全站仪对地形点、地物点进行解析测量，检查地物点、高程点的点位中误差和高程中误差，采用勘丈法量取地物间的关系距离，检查其间距中误差是否满足规范要求，地物点精度统计表，以福建石狮项目为例，如表6所示。

从表6看出，1ʒ500DLG测图数学精度，包括平面及高程检测、地物点间距误差检查均满足《规范》中有关精度要求。

1ʒ500DLG地物点精度统计表表6检查项目平面精度高程精度间距精度备注
检查数量1456点1270点460条
中误差
（允许值）
实地/m0．11（0．25）0．07（0．17）0．12（0．20）
图上/mm0．22（0．5）0．12（0．17）0．24（0．4）
括号
内为
限差4.44个项目质量检验精度统计
山东、福建两省测绘产品质量检验站进行质量检验时，测点检查检验结果如表7所示。

质检站质检精度统计表表7测区名称检验内容检测值规范要求备注
青岛城阳项目1ʒ500DLG 地物点相对邻近控制点平面位置中误差ʃ0．12mmʃ0．5mm
地物点间距中误差ʃ0．15mmʃ0．4mm
高程中误差ʃ0．09mʃ0．15m
282km2
青岛胶南项目1ʒ500DLG 地物点相对邻近控制点平面位置中误差ʃ0．14mmʃ0．5mm
地物点间距中误差ʃ0．12mmʃ0．4mm
高程中误差ʃ0．13mʃ0．15m
102km2
青岛平度项目1ʒ500DLG 地物点相对邻近控制点平面位置中误差ʃ0．14mmʃ0．5mm
地物点间距中误差ʃ0．13mmʃ0．4mm
高程中误差ʃ0．08mʃ0．15m
80km2
福建石狮项目1ʒ500DLG 地物点相对邻近控制点平面位置中误差ʃ0．16mmʃ0．5mm
地物点间距中误差ʃ0．14mmʃ0．4mm
高程中误差ʃ0．11mʃ0．15m
162km2
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4个航测项目均一次性通过两省测绘产品质量检验站最终验收，其中青岛城阳航测项目和福建石狮航测项目成果被认定为“优”级品，另两个项目成果为批合格。

5结论
（1）1ʒ500比例尺航测项目像控测量采用区域网布点与空三加密代替全野外布点经实际验证达到规范要求。

平坦地区航测项目布设区域网，将整个测区划分为若干个小区域，区域单元大小不大于4条航线，每条航线的基线数不超过12条，同时为保证像控点的外业测量精度，对每个像控点均进行不同时段两次独立观测，取平均值作为最终测量成果；同时为验证空三加密网的精度，保证内业测图精度，除在每个区域网布设2 3个空三加密检查点外，特别地在每个区域网内均匀施测了8 10个质量监控点。

经过438个区域网的1027个检查点和3843个质量监控点的验证，加密点的精度指标均满足规范要求。

与原全野外布点相比较可节约像片控制测量50%的工作量，节约像片控制测量时间1/2以上。

（2）在航片及航测各工序质量严格满足现有规范的前提下，经检测的航测内业高程精度可达到0.5m 等高距地形图对高程精度的要求。

采用航测内业测量高程，配合外业检测，即每幅图随机抽取50 60个高程点进行外业实测检查航内高程的正确性，通过对181440个航测内业高程点精度统计结果显示：在航片及航测各工序（如：外业像控，空三测量等）质量严格满足现有规范的前提下，航内高程满足0.5m等高距地形图对高程注记点精度的要求。

参考文献
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The Key Technology of3D Digital Products to Produce Based
on Digital Photogrammetry
Li Sudong
（Shandong Zhengyuan Geographic Information Engineering Co．，Ltd．JiNan250101，China）Abstract：This paper mainly introduces the method of aerial survey in flat area1ʒ500scale“3D”digital products production，under the premise of guaranteeing quality，as measured by area network control layout and space three encryp-tion instead of field sites，has been proved to meet the requirements of specification；on aerial and aerial survey quality strictly meet the existing norms under the premise，to aerial survey within the industry elevation with partial height detec-tion can reach0．5m from the high topography on elevation accuracy requirements．
Key words：Digital Photogrammetry3D digital Products，Photo－control Surveying；area network control layout；Field sampling。