CN101929858B - 一种大比例尺平地0.25米等高距精密测绘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平地0.25米等高距精密测绘方法，其采用航空测量与地面测量天地相结合的方式，优势互补，保障0.25米等高距高精度发明的实现。本发明包括以下步骤：采用DMC航空数码摄影机获取影像；航测与地面测量相结合采集地形图数据；全部像控点采用平高全野外布点；空中三角测量，提高测图绝对定向精度。

Description

一种大比例尺平地0.25米等高距精密测绘方法

一、技术领域：

本发明涉及一种大比例尺数码航空摄影测量方法，尤其是涉及一种大比例尺平地0.25米等高距精密测绘方法，其为一种数码航空摄影测量与地面数字测量相结合的精密测绘方法，用于解决平坦地区0.25米等高距的高精度难题。

二、背景技术：

我国摄影测量与遥感技术，追溯到20世纪初。百余年来，学科实现了由单一航空摄影专业向多学科交叉融合的3S[遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)]集成及地球空间信息科学发展。

随着计算机技术及模式识别等相关技术的发展引入，摄影测量由模拟、解析技术向全数字摄影测量时代转变。航空测量是测制1∶500～1∶5000比例尺地图的主要先进手段。在工程测量领域，特别是国际上大型基建工程，要顾及勘测、详细设计和施工各阶段提供测绘保障的专业需要，要求更大比例尺(1∶500、1∶200)，更高精度(0.25米等高距精密测绘)；平地0.25米等高距精度测绘技术要求，出现于香港和国际重大工程招标文件中，是各国航测界面临的一项技术挑战。航测能否胜任？航空摄影时，地面常有树荫和建筑物遮挡，看不清诸如地道出入口、灯柱、检修井、栅栏等地物如何补救？

地面数字测量是野外现场的测量工作，要为整个工程设置基础控制点，建立数字和地理信息框架，采集地物、地貌真三维信息。劳动强度大，耗费人力资源多；在香港和西方国家，因私有制价值观，很多私家宅院、地盘、高架立交、边境湿地等，是不准进入的，如何采集准确完整的地面数据？众所周知，地面测量其工作效率远不及航测的居高临下，视野开阔。两种测量方法应相互配合，优势互补。

关于测图等高距的划分，根据GB/T7930-2008规范

表1        基本等高距        单位：米

从上表可见，0.25米等高距是国内罕见，航测较难达到的高精度要求，国内为0.5m～1m等高距，目前尚无测制0.25米等高距成功报道。

综上述，要优选组合一整套的方法，采用新的技术装备和数据处理技术，从获取数据源开始逐项提高精度，才能达到本发明的目标。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种大比例尺平地0.25米等高距精密测绘方法，其采用航空测量与地面测量天地相结合的方式，优势互补，保障0.25米等高距高精度发明的实现。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大比例尺平地0.25米等高距精密测绘方法，其可实现1∶500、1∶200大比例尺测绘，其特征在于：包括以下步骤：

采用DMC航空数码摄影机获取数字影像；航测与地面测量相结合采集地形图数据；全部像控点采用平高全野外布点；空中三角测量，提高测图绝对定向精度；

航测与地面测量相结合采集地形图数据过程包括：在车站、隧道入口、急救站和通风井和道路进出口相关区域进行详细的地形测量；在高架立交设施、建筑物主体轮廓、高速公路、非隐蔽遮挡区域清晰的地物要素采用航测采集数据，线路上被阴影遮盖或看不清的地物，采用全野外地面数字测量方法成图；主要街道、建筑物基部、隐蔽区域采用地面测量方法采集数据；

全部像控点采用平高全野外布点包括：像控点测量的精度要求和观测限差与一级图根导线相同，像控点的点位误差平面及高程小于0.05m；DMC航空数码摄影机摄影像幅为16cm×9cm，每3条基线布设4个平高控制点；用GPS观测，利用GPS参考站数据解算；数字空中三角测量对全野外平高像控点的成果立体量测检查，直接采用野外测量成果进行立体测图的模型定向；

空中三角测量，提高测图绝对定向精度包括将原规定测求高程注记点≤±0.15m的限差提高至≤±0.05m～≤±0.10m，对外业地面测量无法达到的区域或施测间距密度不够的高程注记点，由全数字系统仪器按上述提高后的精度补测，以补齐图上每方里格网有20～25个注记点的要求。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

本发明平地0.25米等高距高精度测绘方法，常见于国际重大工程招标技术文件中，是主要技术指标之一，国内尚未见成功案例报道。本技术方案的特点是实用性强，可检验。本发明用于国内外重大工程大比例尺、高精度、多专业的技术服务，为我国数字煤炭、石油、交通、城市、环保提供基础资料和精密测绘技术保障，全面服务于国家信息化战略的实施，将会得到推广应用。

四、附图说明：

图1为0.25m等高距精密测绘技术工艺流程图；

图2为数码航空摄影飞行路线图；

图3为本技术方案地物点点位误差平面精度统计图(221个点)；

图4为0.25米等高距高程注记点高程误差统计图(1360个点)；

图5为1∶500比例尺0.25米等高距数字地图(局部)。

五、具体实施方式：

本发明的技术流程图见图1，参见图1，本发明的技术流程为：

1、项目技术设计；

2、基础控制站平面及高程测量；地面数据采集；数码航空摄影；数码摄影质量验收；

3、像片控制测量；

4、全数字空中三角测量；

5、数字摄影测量数据采集；

6、3D地图数据精编、检查；

7、3D地图成果提交。

本发明首次采用具有世界先进水平，美国、德国合制的Z/I Imagine DMC航空数码摄影机，可获高质量(高信噪比、高反差)、高几何和辐射分辨率(像元尺寸12μm，地面分辨率可达5cm，辐射分辨率均大于8比特/像素)和高影像重叠率的影像信息。大重叠度的影像有利于提高影像匹配的精度和可靠性，提高数据源质量。该相机可同时获取成像地区的全色和多光谱影像数据，CCD对可见光及近红外电磁波有较高的敏感度。传统光学胶片航空相机，像元尺寸21μm或25μm，DMC数码相机，像元尺寸12μm，影像分辨率提高了六成；数码航摄的成图比例尺放大倍率要比胶片摄影提高2倍以上，因此可用于1∶500、1∶200大比例尺，参见图2。

本发明中0.25米等高距，根据用图需要，也可不绘等高线，仅用高程注记点表示。高程注记点一般由外业测定，香港有些地方，如高速公路路面、高架桥不同层面交叉、私家宅院、湿地保护区、军营等处是无法抵达的，则由内业用全数字摄影测量系统仪器测定高程注记点，其高程中误差一般不大于±0.15m。

本发明航测与地面测量相结合，优势互补，采集地形图数据。本方案要求在车站、隧道入口、急救站、通风井和道路进出口等相关区域进行详细的地形测量。在高架立交设施、建筑物主体轮廓、高速公路、非隐蔽遮挡区域清晰的地物要素，要发挥数字摄影测量的空中优势采集数据。线路上被阴影遮盖或看不清的地物，采用全野外地面数字测量方法成图。主要街道、建筑物基部、隐蔽区域采用地面数字测量方法采集数据，以确保成果精度。

因地制宜解决繁华大都市高层建筑林立、单一测量方法难以处理的难题。技术设计书力求系统、完整和可操作性。在生产过程中及时发现问题，补充和完善，保证野外控制测量、野外数据采集、室内数据处理、图形编辑和最终产品提交的顺利实施。

在繁华大都市作业，高楼大厦鳞次栉比、争相辉映。在街道上作业，GPS信号存在严重屏蔽，观测结果不理想。改用导线测量方法，虽然能获得符合精度要求的点，但布设的导线边长仅200～300米长，还需要一定间隔的高等级点控制。此时GPS点可发挥设站机动灵活、无须与更多高级点间通视或受图形条件制约的优点。GPS与导线方法配合，就能实现高层建筑街区的高精度测量控制。

对地形复杂、地物障碍而造成通视困难地段，还可选择合适的作业时间段、作业半径、采用RTK(实时动态)测量技术，平面和高程精度均能达到厘米级。

像片控制测量：全部像控点为平高全野外布点方案，像控点测量的精度要求和观测限差与一级图根导线相同，像控点的点位误差平面及高程应小于0.05m；因航摄用数码相机摄影，像幅为16cm×9cm，每3条基线布设4个平高控制点；用GPS观测，利用香港政府GPS参考站数据解算。内业数字空中三角测量对全野外平高像控点的成果立体量测检查，直接采用野外测量成果进行立体测图的模型定向。

内业空中三角测量和提高测图绝对定向精度，全数字仪器施测高程注记点。

像控点采用平高全野外布点，本例高程中误差为0.03m。

根据航空数码相机高程精度估算公式：

$\mathrm{\Δh}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\tan \mathrm{\θ}}=k\·\mathrm{\Δx},$ Δx＝m_摄影·δx

本例DMC摄影比例尺m_摄影＝5000，焦距f＝120mm，

K＝3.16。

则Δh＝0.063m，即测图的高程精度约为0.063m。

公式推算可知：用全数字摄影测量工作站(美国INTERGRAPH SSK)，提高测图绝对定向精度，补测高程注记点是有根据的。将原规定测求高程注记点≤±0.15m的限差提高至≤±0.05m～≤±0.10m，对外业地面测量无法达到的区域(私家宅院、高速公路路面、高架立交、湿地等)或施测间距密度不够的高程注记点，由内业全数字系统仪器按上述提高后的精度补测，以补齐图上每方里格网有20～25个注记点的要求。

技术方案的检验：按上述方案施测的高精度数字地图产品，在立体模型下采集部分独立地物数据与专程赴野外现场实测同名点数据进行比较，用于评定成图的精度。

平面精度统计：地物点位误差统计见图3以及下表2：

表2

误差范围(米)	0.00-0.25	0.25-0.50	0.50-0.75	大于0.75
					地物点数(个)	155	63	2	1
百分比	70.1％	28.5％	0.9％	0.5％

生产单位共检测地物点221个，其中大于3倍中误差的点1个，该点作为粗差点，在计算中误差时剔除，经计算地物点点位中误差如下：

粗差率为：(3÷221)×100％＝1.4％

地物点点位中误差为： $M=\±\sqrt{[\mathrm{\Δ\Δ}/n]}=\±\sqrt{11.7491/220}=\±0.23m$ (限差±0.32m)。

高程精度统计：采集高程与外业实测高程误差统计见图4以及下表3：

表3

误差范围(米)	0.00-0.10	0.10-0.20	0.20-0.30	大于0.30
					高程个数(个)	1040	229	51	40
百分比	76.5％	16.8％	3.8％	2.9％

经计算高程中误差如下：

粗差率为：(62÷1341)×100％＝4.6％

高程中误差为： $M=\±\sqrt{[\mathrm{\Δ\Δ}/n]}=\±\sqrt{10.8461/1320}=\±0.09m,$ (限差±0.15m)。

上述高程精度统计可知，从内业采集、外业实测的1360个同名高程注记点数据分析比较，注记点高程中误差≤±0.09m(限差为±0.15m)，最小mh＝±0.01m。大量数据检验了本技术方案的正确性。实践证明：基于DMC数码影像，采用航测与地面测量相结合，平高全野外像片控制布点方案，内业空中三角测量加密，测图提高绝对定向精度等一系列措施，就能实现平地(地面坡度小于2°)0.25米等高距的精密测绘技术目标，见图5。

本发明优选组合的技术方案，在广州-深圳-香港高速铁路(简称广深港高铁)试验作业。

1、作业区概况：

广深港高速铁路(香港段)由西九龙终点站到皇岗边界约26.5公里，全部为地下隧道，包括隧道通风井/坑及相关建筑物，一个急救站和石岗地下车库。航摄总面积约20平方公里，有市区和农村共10个平坦和陡峭斜坡区域，包括米埔的边境禁区。

本项目测量区域跨越大帽山高山地、西九龙市区和新界农村，覆盖西九龙至荃湾高楼林立、高架立交设施密集区域，车辆行人密集，商贸及交通繁忙，工程量大，作业难度高。

航空摄影及测量区域最高点大帽山顶为957(HKPD)米，最低点西九龙公路约为3.2(HKPD)米，陆地部分最大高差约为930米，陆海最大高差约为950米。

2、工程主要技术规格：

坐标系统：HK 1980 Grid Coordinates；

高程系统：Hong Kong Principal Datum(HKPD)；

一等平面控制站基线相对精度不低于1/100,000；

二等平面控制站基线相对精度不低于1/50,000；

高程控制站精度为二等一级(Second Order Class I)；

像片比例尺1∶4000(DMC)；

基本等高距：平坦地区0.25m；计曲线间隔为1米；

山地及高山地2米，计曲线间隔为10米。

成图比例尺：1∶500；

数据采集点平均密度约为5～10米间隔；

高程注记间隔为20米；

地形图明显地物要素平面精度不低于图上0.65mm；

地图要素高程误差≤1/2～≤1等高距；

高程注记误差≤1/4～≤1/2等高距。

3、数码航空摄影：

以珠海为基地，在香港首次采用Z/I Imagine DMC航空数码相机，运五飞机成功完成了两条铁路选线的航摄、数字成图和测制数字正射影像图任务。

4、基础控制与像片控制测量、外业数据采集：

采用GPS、全站仪、数字水准仪建立了165个一、二等测量控制点，158个像片平高全野外控制点，为77幅图采集了外业数据，包括获准进入地区实测的高程注记点；不准进入地区，如高速公路路面、高架桥不同层面立交、私家宅院、湿地保护区、军营等留待内业仪器补测。

5、空中三角测量、数字测图和内业测定高程注记点：

全数字空中三角测量(空三加密)，用美国产全数字摄影测量工作站SSK，利用美德合制的DMC航空数码相机获取的数字影像，运用影像自动匹配与人工干预结合的方式进行像点量测。绝对定向(大地定向)精度：Ms定＝±0.048(限差0.13)，Mh定＝±0.031(限差0.13)均优于规范要求。

直接导入空三加密成果恢复立体模型，在采集1∶500比例尺平坦地区0.25米等高距的图幅时，绝对定向高程误差，由原规定的≤±0.15m提高到≤±0.05m～≤±0.10m，目的是提高测定注记点高程精度。

为了对本技术方案和成果进行精度检验，组织了9人检查小组，其中野外巡视5人，内业数据专检2人，精度检测分析统计2人，并投入SSK摄影测量工作站2台，RTK 2台进行成果精度检验。野外现场实测了1581个点，内业在立体模型下采集相应的同名数据进行比较，精度统计证实，基于DMC数码影像，采用航空数字摄影测量和地面测量相结合的一系列新方法，较好达到了1∶500、1∶200比例尺、平坦地区0.25米等高距的精密测绘技术性能指标要求。

Claims (1)

1.一种大比例尺平地0.25米等高距精密测绘方法，其可实现1：500、1：200大比例尺测绘，其特征在于：包括以下步骤：

采用DMC航空数码摄影机获取数字影像；航测与地面测量相结合采集地形图数据；全部像控点采用平高全野外布点；空中三角测量，提高测图绝对定向精度；

航测与地面测量相结合采集地形图数据过程包括：在车站、隧道入口、急救站和通风井和道路进出口相关区域进行详细的地形测量；在高架立交设施、建筑物主体轮廓、高速公路、非隐蔽遮挡区域清晰的地物要素采用航测采集数据，线路上被阴影遮盖或看不清的地物，采用全野外地面数字测量方法成图；主要街道、建筑物基部、隐蔽区域采用地面测量方法采集数据；

全部像控点采用平高全野外布点包括：像控点测量的精度要求和观测限差与一级图根导线相同，像控点的点位误差平面及高程小于0.05m；DMC航空数码摄影机摄影像幅为16cm×9cm, 每3条基线布设4个平高控制点；用GPS观测,利用GPS参考站数据解算；数字空中三角测量对全野外平高像控点的成果立体量测检查，直接采用野外测量成果进行立体测图的模型定向；

空中三角测量，提高测图绝对定向精度包括将原规定测求高程注记点≤±0.15m的限差提高至≤±0.05m～≤±0.10m，对外业地面测量无法达到的区域或施测间距密度不够的高程注记点，由全数字系统仪器按上述提高后的精度补测，以补齐图上每方里格网有20～25个注记点的要求。

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