基于Virtuo Zo系統(tǒng)的地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)方法

夏佳毅

（江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

0.引言

基礎(chǔ)地理信息是國家發(fā)展重要戰(zhàn)略資源，在政府管理決策、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人民生活品質(zhì)改善等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1,2]。大數(shù)據(jù)背景下，越來越多的行業(yè)建設(shè)需要以地理空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，隨著各行各業(yè)發(fā)展要求的復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地理信息已不能滿足需求，為順應(yīng)時代發(fā)展，更好地服務(wù)社會，測繪部門應(yīng)選擇合理的數(shù)據(jù)采集處理方法以實現(xiàn)自然資源信息的快速、準(zhǔn)確獲取?；A(chǔ)地理信息時空平臺數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、地理實體數(shù)據(jù)、地名/地址數(shù)據(jù)、新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)數(shù)字正射影像模型（DOM）、數(shù)字地形圖，通常采用全站儀或RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，外業(yè)工作周期長、成圖速度慢、效益低不能滿足快速發(fā)展的需求[3]。作為測繪領(lǐng)域新興技術(shù)，無人機傾斜攝影測量技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在多個行業(yè)已有應(yīng)用，取得的很好的效果。無人機傾斜攝影測量技術(shù)是通過搭載在無人機平臺上的多鏡頭、高分辨率相機多個視角快速獲取高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)，同時，無人機平臺會搭載多種不同的傳感器，不同的傳感器可實現(xiàn)實時坐標(biāo)位置、航行數(shù)據(jù)、影像重疊度等參數(shù)的記錄，從而使影像數(shù)據(jù)更加詳細(xì)。對影相數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的內(nèi)業(yè)軟件處理即可實現(xiàn)DOM、數(shù)字地形圖的快速生產(chǎn)[4]。利用VirtuoZo系統(tǒng)生產(chǎn)DOM、數(shù)字地形圖[5]，簡化了外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程，人工數(shù)據(jù)處理簡單，極大程度降低了工作量，成圖速度快，可適應(yīng)快節(jié)奏的生產(chǎn)需求?？紤]無人機傾斜攝影測量的優(yōu)勢特點，本文提出基于傾斜攝影測量技術(shù)的地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)方法。實踐證明：使用該方法DOM、數(shù)字地形圖的生產(chǎn)速度快、精度高、生產(chǎn)效益好，建議推廣使用。

數(shù)字正射影像圖（DOM）是通過對航空像片或航空遙感影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像糾正、匹配、分幅等處理后，生成的二維平面影像數(shù)據(jù)。正射影像圖可附加坐標(biāo)、地形要素等信息，具有矢量性，內(nèi)容豐富。

1.傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)工藝

利用VirtuoZo系統(tǒng)生產(chǎn)地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的主要技術(shù)路線如下：

（1）首先進(jìn)行測區(qū)資料的收集工作，明確測區(qū)內(nèi)已有成果，這包括測區(qū)內(nèi)控制資料、坐標(biāo)系統(tǒng)、衛(wèi)星定位基準(zhǔn)網(wǎng)、高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)、國土調(diào)查資料、地形圖資料；根據(jù)相關(guān)規(guī)定規(guī)范編寫設(shè)計書；

（2）航飛方案設(shè)計，航飛方案主要包括無人機相機檢校、設(shè)計航飛路線、高度、時長、架次、影像分辨率重疊度等方面，區(qū)域過大時應(yīng)考合理分區(qū)；

（3）布設(shè)像控點，像控點的布設(shè)應(yīng)滿足布點方案的要求，選擇按圖幅布設(shè)或按航線、區(qū)域布設(shè)。像控點一般選擇布設(shè)平高點，且位置明顯。完成布點后使用RTK技術(shù)進(jìn)行像控點數(shù)據(jù)采集；

（4）完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，檢測像片質(zhì)量情況后進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，首先對原始像片進(jìn)行幾何糾正、鑲嵌、勻光勻色、裁切等處理，然后使用軟件進(jìn)行空三加密，主要內(nèi)容是結(jié)合像控點數(shù)據(jù)對像片POS數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算。目前部分軟件都能夠自動實現(xiàn)空三加密解算，同時通過多視影像聯(lián)合平差技術(shù)進(jìn)行傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配技術(shù)得到高精度高密度點云數(shù)據(jù)，方便三維建模使用；

（5）外業(yè)核查工作，內(nèi)業(yè)繪圖過程中存在的不能清晰辨別的地物或位置信息模糊，可通過實景三維模型進(jìn)行辨別或人工外業(yè)調(diào)繪；

（6）完成圖像分幅整飾繪制等工作后，需進(jìn)行精度質(zhì)量檢查，通過質(zhì)量檢查的數(shù)據(jù)才能提供使用。

基本工作流程（如圖1所示）：

圖1 基本工作流程圖

2.工程實踐

2.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于江蘇省，主要為居民區(qū)，選擇部分測區(qū)面積約為4.32km2，測區(qū)地形復(fù)雜高差較大。測區(qū)內(nèi)共布設(shè)了35個像控點，點間距約為120m。

航飛無人機飛行平臺為Motorsky-Q5四代，航線設(shè)計根據(jù)線路走向進(jìn)行航線設(shè)計共設(shè)計飛行6個架次，根據(jù)要求測量線路寬度，單架次5條航線。航攝像片15454張，POS數(shù)據(jù)7149個，設(shè)計飛行相對高度120 m，航向重疊度80%，旁向重疊度65%，飛行信息（如表1所示）：

表1 飛行信息

2.2 內(nèi)業(yè)處理

本次數(shù)據(jù)生產(chǎn)選擇使用適普公司與武漢大學(xué)測繪學(xué)院研制的VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，影像匹配技術(shù)是該系統(tǒng)核心功能，VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)是處理無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的重要平臺，功能全面強大，設(shè)計人性化、交互界面清晰簡潔，是一個可供多種格式數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)，同時也具備了測圖自動化程度高、匹配算法精度高、解算速度快、成果可實現(xiàn)三維展示等優(yōu)勢，能夠完成從影像定向、匹配、整飾到各種比例尺地形圖成圖的一體化處理方案。在測量行業(yè)有著很重要的地位。VirtuoZo系統(tǒng)功能全面是實現(xiàn)生產(chǎn)高精度DOM產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)，其功能包含了影像數(shù)據(jù)的管理、影像數(shù)據(jù)的定向、核線生成、基于核線的影像匹配以及模型拼接。VirtuoZo系統(tǒng)DOM產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖（如圖2所示），DOM成果、數(shù)字地形圖成果詳情（如圖3、圖4所示）：

圖2 VirtuoZo系統(tǒng)DOM產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖

圖3 DOM成果

圖4 數(shù)字地形圖

3.地形圖繪制與精度評定

3.1 地形圖繪制

地形圖內(nèi)業(yè)采集按全要素地形圖測繪要求采集地形圖要素，采集過程中必須滿足以下要求：

（1）數(shù)據(jù)采集需依據(jù)內(nèi)業(yè)立體模型，結(jié)合外業(yè)調(diào)繪完成繪圖，以此原則進(jìn)行繪圖處理。對于存在的問題，需內(nèi)外業(yè)結(jié)合，確定存在的合理性，再進(jìn)行繪圖處理，以確保成圖精度。繪圖時要保證要素采集的全面性，保證其要素不存在位移、變形、錯漏等情況即實現(xiàn)全要素正確采集，地形要素完整全面提??；

（2）數(shù)據(jù)采集時針對部分依比例尺地物符號時，應(yīng)以測標(biāo)中心切準(zhǔn)輪廓線或拐點連線，針對不依比例尺地物符號，采集時應(yīng)以測標(biāo)中心切準(zhǔn)基點、結(jié)點、定位線。對模型不清楚，無法準(zhǔn)確定位時，不能采集；

（3）內(nèi)業(yè)繪圖工作中，要素的采集工作要結(jié)合屬性編輯以保證其正確性和連貫性，采集的同時需編輯相關(guān)屬性內(nèi)容，使要素完成內(nèi)業(yè)采集的同時，除部分存在不確定性的要素，其他要素屬性特點盡可能的全面。確定其屬性特點有利于外業(yè)調(diào)繪工作地開展，對產(chǎn)品質(zhì)量的提高有著重要意義；

（4）針對存在邏輯關(guān)系的相關(guān)要素，在內(nèi)業(yè)采集前要確定其先后順序關(guān)系，確保其合理性使其要素之間邏輯關(guān)系正確；

（5）特殊要素要進(jìn)行分類繪圖。采取不同的繪圖方法進(jìn)行內(nèi)業(yè)全要素采集。針對公共道路上的各種管道檢修井孔（熱力、電力、電訊、排水、給水、煤氣、天然氣等）詳細(xì)分類采集。對于臨時開挖的大面積工地，采用高程注記、等高線等方式進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)記；

（6）具有方向性的線狀符號，以鋸齒位置表示其方向性，要求鋸齒位置在其右側(cè)；

（7）外業(yè)調(diào)繪采集時以內(nèi)業(yè)完成的臨時線劃圖為依據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場實地勘察、補測。外業(yè)調(diào)繪的工作內(nèi)容包括對內(nèi)業(yè)采集工作的精度分析，對內(nèi)業(yè)中存在的影像模糊、遮擋無法判定的地物進(jìn)行外業(yè)補測補充其相關(guān)數(shù)據(jù)，確保繪圖精度，進(jìn)行部分高程數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行要素名稱調(diào)繪；

（8）針對地物取舍以及臨時變動情況，外業(yè)調(diào)繪需結(jié)合內(nèi)業(yè)繪圖要求。對于補測、修改的數(shù)據(jù)資料，外業(yè)調(diào)繪時需詳細(xì)明確標(biāo)記其位置、屬性等相關(guān)信息；針對臨時變動或外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后拆除的建筑，即存在影像現(xiàn)實卻被拆除，無法基線表示的地物，用紅色“×”劃去，并進(jìn)行詳細(xì)說明。

整體要素全采集工作整個環(huán)節(jié)需嚴(yán)格依照《城市測量規(guī)范（CJJ T8－2011）》要求和《地形圖編繪及圖式》，除此之外，該過程處于立體測圖與數(shù)據(jù)編輯的中間階段，需整體考慮顧及內(nèi)外成果，更好地提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 DOM的生產(chǎn)指標(biāo)

（1）分幅方式及大小。按照GB/T 20257.1規(guī)定，采用50cm×50cm的圖幅向四邊擴展圖上約10mm提供數(shù)據(jù)；像素大?。簲?shù)字影像圖地面分辨率為0.1m；數(shù)據(jù)格式：無壓縮的TIF+TFW格式，數(shù)據(jù)擴展名為*.TIF；數(shù)據(jù)色彩：彩色；其他要求：色調(diào)基本保持一致，圖幅之間要注意幾何精度和色彩的接邊；

（2）DOM精度指標(biāo)。地面上明顯地物點對鄰近野外控制點平面位置的點位中誤差最大值不超過0.6m（最大誤差為中誤差的2倍）。相鄰像幅的接邊差最大不超過2個像元；

（3）影像質(zhì)量要求。影像清晰，反差適中，色彩及色調(diào)均勻，影像無模糊、錯位、扭曲、拉花等現(xiàn)象，保證影像數(shù)據(jù)的連續(xù)、無縫和視覺一致性，影像的灰度直方圖盡可能布滿0-255個灰階，并基本接近正態(tài)分布。

3.3精度評定

本次精度評定主要內(nèi)容為大比例尺地形圖的精度評定，按規(guī)范要求平面點位精度和高程注記點精度要求（如表2所示）：

表2 一般地區(qū)、城鎮(zhèn)建筑區(qū)地形攝影測量的基本精度

選取測圖部分區(qū)域均勻分布的10個檢查點，采用RTK技術(shù)測量，并進(jìn)行精度評定，基本等高為1m，平面和高程誤差統(tǒng)計（如表3所示），誤差統(tǒng)計圖（如圖5所示）：

圖5 監(jiān)測響應(yīng)時間對比

表3 誤差統(tǒng)計表

圖5 誤差統(tǒng)計圖

根據(jù)表中ΔH、ΔS可依據(jù)中誤差公式（1）可分別求出檢測點平面中誤差和高程中誤差。

計算可得Ms=0.309m，1∶500大比例尺地形圖圖上距離則為0.618mm，MH=0.415m，小于1/2基本等高距，由圖4可知，高程中誤差變化情況比平面誤差變化大，但計算結(jié)構(gòu)仍滿足大比例尺地形圖精度要求。

4.結(jié)束語

本文從地理信息平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)出發(fā)，提出無人機傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合VirtuoZo軟件進(jìn)行DOM產(chǎn)品生成的工作流程，并進(jìn)行了精度檢驗，得出以下結(jié)論：

（1）無人機傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)了影像數(shù)據(jù)的快速獲取，同時，在數(shù)據(jù)處理過程中充分發(fā)揮了VirtuoZo軟件交互式編輯功能，快速高精度地生成了數(shù)字正射影像和數(shù)字線劃圖，實現(xiàn)了大比例地形圖的測繪；

（2）目前無人機數(shù)據(jù)采集過程中受天氣情況影響較大，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差等情況，接下來會在質(zhì)量較差的影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)DOM產(chǎn)品工作中進(jìn)行深入研究。