綜合利用多源數據優勢開展山區帶狀復雜地形測繪探究

李 璐

（貴州省第一測繪院，貴州 貴陽 550000）

目前，大比例尺地形圖（1∶500、1∶1000、1∶2000）測繪主要采用傳統航空攝影測量方式或基于傾斜實景三維模型采集方式開展，技術路線一般采用“內-外-內”的方式，在立體像對或三維模型上采集地形地物要素，充分利用已有資料并疊加正射影像圖開展外業調繪，最后結合外業調繪數據進行內業編繪和整理出圖。但傳統航空攝影測量和基于傾斜實景三維模型開展地形圖測量方式各具優缺點，尤其在山區地形復雜區域，面臨數據獲取難、地形測繪工作量大、外業工作艱辛等困難，大比例尺地形圖測繪工作效率較低。

文章基于貴州山區帶狀地形圖測繪項目，探索綜合利用多源數據的創新方式，充分發揮各數據源優勢，破解技術難點，最大程度減少外業工作量，提高工作效率。

1 現有技術優缺點分析

1.1 傳統航空攝影測量技術

航空攝影測量技術的不斷發展，在數字化測圖方法得到了廣泛應用，具有高效、靈活的優勢。航空攝影測量采用在飛行平臺上搭載航攝儀器對地面連續攝取相片，結合地面控制點進行空中三角測量，通過內業立體測繪、外業調繪等步驟，繪制生產地形圖。航空攝影立體測圖具有模型精度高、影像紋理清晰等優點，不易存在拉花變形等問題，基于航空攝影測量工作站，可在立體像對上同時測量地物和地形要素，可連續、快速地進行大范圍地形圖測繪作業。其缺點一方面是作業人員一般需經過長期訓練，方能高效地進行立體測圖作業，對人員技能要求較高；另一方面，是垂直航空攝影在植被、建筑物遮擋區域容易造成信息缺失，外業調繪工作量較大。

1.2 傾斜實景三維模型測圖技術

傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集高分辨率影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成可量測的實景三維模型。與常規的航空攝影測量或相比，采用傾斜實景三維模型進行大比例尺測圖方式的主要優勢，一是基于傾斜實景三維模型測圖是采用裸眼三維測圖方式，降低了技術人員準入門檻；二是采集建筑物時可以直接采集墻面，且可以內業判別房屋結構及樓層，減少外業調繪工作量；三是傾斜攝影重疊度較高且采用多角度攝影，比常規的航空攝影測量減少了視角遮擋的區域。其主要劣勢，一是等高線采集不太便捷；二是植被容易拉花變形，植被類型辨別不準，且在貴州等植被高覆蓋地區，如路堤、路塹、坎等地物邊緣有植被覆蓋時，難以準確采集其邊線；三是立柱式獨立設施及地物（如路燈、路牌、信號燈柱、里程樁等）在傾斜三維模型上大多是懸空的，立柱部分缺失，不便于判別采集。

1.3 LiDAR激光測圖技術

機載 LiDAR 測量技術系統是以飛機作為激光測量平臺，采用激光掃測系統進行測量，直接向地面、地表發射激光進行測量，實時獲取地表地物的點云數據，從而獲得地表三維空間信息。LiDAR激光測圖技術的優勢，一是利用激光束的反射原理，激光雷達可實現對地表地貌的高精度測量，無論是平坦地面還是復雜地貌，都可以被快速、精確的呈現；二是通過激光雷達高速掃描，可以在極短的時間內完成大范圍地面數據采集；三是LiDAR不僅可以獲取地表高程信息，還可以獲取地上的植被、建筑物等其他特征，可為綜合分析和決策提供更多的數據支持。其主要劣勢，一是獲取數據為離散點云，如不結合影像等其他數據，對技術人員來說，其數據可判讀性不強；二是因激光點云數據為具有一定密度的規則點陣數據，不能按地表物體形狀較好地反映其邊緣細節，在大比例尺地形圖測量中，不能較好的進行地物量測。

2 研究思路

2.1 研究概況

文章基于貴州省境內既有鐵路地形測繪及定線工作項目開展，項目主要生產內容為開展全省約2 000 km既有普速鐵路的航空攝影，獲取優于0.05 m傾斜航空影像及分別滿足1∶500和1∶2 000測量的激光雷達數據，以及鐵路周邊帶狀地形圖測繪、平面圖編制及安保線定位放線工作。

2.2 技術難點分析

（1）長距離帶狀航空攝影。項目航空攝影范圍為全省范圍內既有普速鐵路沿線，線路長達2 000 km，除貴州山區氣候復雜外，作業區域還具有距離長、范圍窄、彎曲多、地形復雜、安全隱患大的特點，而開展優于0.05 m分辨率傾斜航空攝影，通常采用無人機進行航飛，但無人機飛行高度較低，兩邊多為高山陡崖，且在鐵路上方開展無人機作業容易造成安全事故，作業難度大。

（2）山區帶狀復雜地形及鐵路要素測繪。項目需對既有普速鐵路沿線左右50 m范圍開展帶狀地形圖測繪，鐵路所經區域多為山區及無人區，地形起伏大，外業工作難度大；車站范圍內鐵路專有要素類別多，測繪人員判別難。

（3）鐵路沿線區域外業安全隱患大。如采用常規航空攝影測量“內-外-內”作業方式開展地形圖測繪，需進行大量外業調繪工作；在定線放點階段，按規定需對鐵路兩側安保線每隔200 m距離以及在人員活動頻繁的道口、橋隧兩端、交通涵、公鐵立交橋附近等進行定線放點，均可能存在鐵路上線、穿線的外業工作，安全隱患大。

2.3 解決方案

針對以上技術難點分析，研究綜合采用直升機航空攝影、機載激光雷達及實景三維等新技術予以解決，具體解決方案如下。

（1）載人直升機長距離帶狀傾斜航空攝影+厘米級激光點云數據獲取。利用直升機作為飛行平臺，具有續航時間長、工作效率高、飛行穩定性強、安全性好的優勢，而且航線規劃高度較高，遠離鐵路，切實保障作業安全和鐵路運行安全；結合已有DEM數據及多鏡頭框幅式數碼航攝儀的設備性能參數，按照鐵路走向，科學設計航攝分區，保障鐵路左右兩側各100 m范圍優于0.05 m分辨率傾斜影像、厘米級激光點云數據覆蓋，并探索開展長距離帶狀點云融合及復雜地形帶狀實景三維融合處理。

（2）綜合利用多源數據優勢，有效提高作業效率。針對貴州氣候環境特殊，作業區域地理環境復雜等因素，綜合利用航空攝影影像清晰度高、傾斜三維模型采集效率高、地物可判別性強、點云數據地形精度高等優勢相結合開展作業，提高地形圖測繪的工作效率。

（3）優化技術方法，減少外業工作。利用實景三維模型良好的可視化效果，在地形圖測繪階段，有效提高內業判讀能力，采集建筑物時可以直接進行房檐改正，且可以內業判別房屋結構及樓層；對于鐵路專有要素，利用高清影像制作鐵路要素樣本庫，極大減少外業調繪工作量；在定線放點階段，基于傾斜實景三維模型判斷選定安保線定樁點位，進行外業路線設計，避免鐵路上線作業，有效保障外業安全。

3 技術方法

3.1 技術路線

針對貴州地形山高、谷深、懸崖、陡峭等地貌的特點，采用直升機搭載傾斜攝影和激光雷達設備，對鐵路線路車站、區間線路兩側各100 m帶寬傾斜航空攝影和激光點云數據獲取，并生成傾斜實景三維模型成果，綜合采用航空立體像對、三維模型、正射影像和激光點云數據，分別按照1∶500、1∶2000圖式要求測繪地物、地形要素，初步形成鐵路車站和鐵路區間線路地形圖底圖，開展外業補測地形地物和鐵路設施要素，內業編輯、圖面整理，形成地形圖。按照鐵路安全保護區劃定要求，在地形圖上劃定安全保護區范圍，編制安全保護區平面圖，并在鐵路兩側選擇相應位置進行安保線定位放點。技術流程如下圖1。

圖1 技術流程圖

3.2 關鍵技術應用

3.2.1 復雜地形帶狀實景三維融合技術

項目屬于帶狀工程，測區地形起伏較大，為達到較好的復雜地形帶狀實景三維融合效果，采用高精度的激光點云作為Mesh模型構造的數據源，基于多源數據融合自動生產三維模型，保證了建模精度和效率。一是結合已有DEM數據及多鏡頭框幅式數碼航攝儀的設備性能參數，按照鐵路走向，科學設計航攝分區，保障鐵路左右兩側各100 m范圍傾斜影像、激光點云數據覆蓋；二是基于激光雷達航攝儀的激光點云生產高精度DSM，采集三維要素體框模型；三是通過輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取地物三維幾何信息，同時對傾斜多視影像進行影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取地物全方位紋理信息，實現三維模型的快速制作。

3.2.2 喀斯特山區多數據源結合采集技術

根據項目需求，充分發揮各數據源優勢，采用多種數據源相結合開展地形圖采集，極大程度提高了作業效率，避免了在鐵路線路上開展外業測繪，切實保障鐵路運行安全。主要基于以下方式開展綜合法測圖作業：

（1）基于航空立體像對+傾斜實景三維模型開展1∶500地形圖地物要素采集。在城鎮開發邊界范圍內的鐵路沿線需采集1∶500地形圖，大部分是火車站、貨場等區域，需表達的地物要素及細節較多，以航空影像立體模型采集方式為主，傾斜實景三維模型輔助房檐改正及地物判別，在滿足精細化測圖的同時，減少外業調繪工作量。

（2）基于傾斜實景三維模型+正射影像開展1∶2 000地形圖地物要素采集。城鎮開發邊界以外1∶2 000地形圖測繪以傾斜三維模型采集方式為主，正射影像輔助地物判別，以達到較高的生產效率。

（3）基于機載Lidar數據開展山區帶狀地形要素測繪。針對喀斯特山區帶狀區域高差大、地形破碎、作業區域狹長等因素導致地形數據生產困難問題，采用對Lidar點云數據進行去噪、分類、濾波等操作，生成數字高程模型，并轉化、內插生產等高線和高程點等地形要素，相較于傳統立體航測采集的方式，簡化了生產流程，提高了地形精度。

3.2.3 傾斜實景三維模型高效應用

（1）三維模型助力安保區基準線快速判別。按《鐵路安全管理條例》相關規定，安保區的劃定基準線為鐵路線路路堤坡腳填筑最低點、路塹坡頂開挖最高點、鐵路設備邊界最外側或者鐵路橋梁及其附屬設備最外側投影等，基于傾斜實景三維模型的三維立體可視化效果能夠清晰、準確、快速的判別此類地形地物特征，提高基準線劃定的準確性和作業效率。

（2）極大減少外業工作量，有效保障作業安全。在地形圖測繪階段，基于傾斜實景三維模型高清晰度、多視角的特點，有效提高內業判讀能力，采集建筑物時可以直接進行房檐改正，且可以內業判別房屋結構及樓層，極大減少外業調繪工作量；在定線放點階段，基于傾斜實景三維模型判斷安保線定樁點位，進行外業路線設計，避免鐵路上線作業，有效保障外業作業安全及鐵路運行安全。

3.3 成果質量驗證

經具有測繪質量檢驗資質的第三方機構進行質量檢查驗收，項目成果數字正射影像、安全保護區平面圖、安全保護區地形圖、安全保護區數據庫、點云數據、傾斜三維模型、放樣點交樁記錄冊等成果詳查、概查均無不合格品。其中安全保護區平面圖成果質量等級為良，地形圖成果質量等級為良，傾斜模型成果質量等級為優，放樣點交樁記錄冊成果質量等級為優，質量符合項目要求。

4 結論

文章采用多源數據綜合利用法，充分發揮了傳統航空攝影測量影像清晰真實優勢、傾斜實景三維模型裸眼多視角采集優勢、激光點云數據高精度快速生產地形數據優勢，優化了作業流程，切實提高作業效率、保障生產安全，成果順利通過驗收，并因提供的類型豐富的數據成果得到業主方好評，可為山區復雜地形測繪提供參考借鑒。