冯冲，韩健，温旭昶

(1.广西光谱空间信息科技有限公司，广西 南宁 530000；

2.广西华遥空间信息科技有限公司，广西 南宁 530000；

3.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

基础测绘是经济建设、国防建设和社会发展的重要基础性工作，其目的是建立全国统一的测绘基准和测绘系统，获取基础地理信息资料。随着测绘技术的进步以及社会各行业对测绘资料的新需求，构建新型基础测绘体系已经成为新时代基础测绘转型的必由之路[1]。2015年6月，国务院批复同意的《全国基础测绘中长期规划纲要(2015-2030年)》提出了到2030年全面建成新型基础测绘体系的目标，因此，加快推进基础测绘作业体系的转型升级，实现基础测绘的立体化统一管理，积极引入新型测绘手段已成为测绘地理信息行业创新发展的必然要求和战略选择[2]。

在传统基础测绘作业中，往往需要多次数据采集和处理才能分别得到二维、三维的空间信息产品，这就需要依赖大量的人力，作业效率低下。而二三维一体化技术可以在一次数据采集的基础上同时完成二三维数据产品的生产，而且主要依靠计算机运算，具有很高的集成度，可以方便快速地建设基础测绘的三维立体时空数据库，极大地降低了劳动强度和作业成本，提高了基础测绘的作业效率。基于此，本文以广西某地数字化地形图测绘及实景模型三维数据采集工作为研究对象，探索二三维一体化技术在新型基础测绘作业中的实施应用，分析其作业精度，为未来新型基础测绘体系的构建提供思路。

2.1 项目概况

本项目位于广西壮族自治区中北部，涉及测区面积约 80 km2，测区内各个村落均有公路连接，交通便利。项目采用航测法作业，需要在4个月内得到测区 0.05 m分辨率的三维模型、1∶1 000 DOM、1∶1 000 DEM和 1∶1 000的测区地形图。

2.2 技术要求

为保证基础测绘作业产品的质量，依据相关测量规范和设计书的技术要求，列出本项目的精度要求如表1所示。

表1 项目精度指标表

2.3 作业流程

项目采用内外业一体化航测法进行数据的采集和处理，主要包括资料收集、无人机航空摄影、像控测量、三维实景建模、航测内业数字测图、外业调绘和补测、成图编辑、成果入库等环节，具体流程如图1所示。需要严格控制每个环节的工作质量，各环节质检合格后才可移交下一环节。

图1 项目作业流程图

2.4 二三维一体化技术的应用

(1)测绘数据的采集

近年来，随着无人机技术的发展和数码相机的更新换代，倾斜摄影测量技术已经广泛应用于各类基础测绘作业中，很大程度上取代了过去基于二维平面作业的GPS联合全站仪的作业方法，可以得到高精度的测区三维模型。但是，在高山峡谷等地形复杂地区布设和测量像控点的难度极大，会影响航测中空中三角测量的质量，难以获得高精度的数据产品，而且由于无人机飞行高度和航摄仪倾斜角度的限制，倾斜摄影测量所得的三维模型在靠近地面部分会出现纹理模糊、扭曲变形的现象，也无法还原地面被遮蔽区域的纹理信息，无法满足新时代基础测绘“全覆盖、无死角、高精度”的需求[3]。所以，仅依靠单一技术手段无法胜任快速高效的成图需求，而将二维的图根控制测量数据与三维倾斜影像数据相结合，在图根点中提取部分特征点作为控制点，与像控点共同参与空三解算，进行一体化数据处理可以有效地解决上述问题，实现空地一体，优势互补，数据采集的流程如图2所示。

图2 空地一体化数据采集流程图

本项目所在测区已被E级控制网所覆盖，测区首级控制可以满足图根控制测量的条件，所以采用网络RTK的方法直接测量图根控制点，像控点的测量同样采用网络RTK法。施测时，使用广西GX-CORS系统获得平面坐标，结合广西似大地水准面精化成果获取高程坐标，在每时段作业开始和结束时都要与测区的已知点和已测点进行检验，以确保测量精度，这样即可得到可靠的图根点坐标和像控点坐标。

三维数据的获取需要借助于倾斜摄影测量，根据地形起伏情况将测区划分为北部平坦区域和南部丘陵区域，分别设计两套航飞方案，参数如表2所示。选择晴朗少云、能见度在2000米以上的天气进行航飞作业，获取测区的倾斜影像。

表2 测区航飞方案设计参数表

(2)地形图的生成

地形图是基础测绘工作中最重要和应用最广泛的基础地理数据。传统基础测绘作业时，必须同步绘制观测草图，记录所测地物的形状并注记测点的序号，在内业处理中将观测数据传输至计算机，在测图软件中对照观测草图对导入的地物点坐标进行勾绘处理，从而得到测区地形图数据。这种数据的采集和编辑互相分离的作业模式显然降低了工作效率，而且观测草图的质量直接影响最终地形图的质量。

倾斜摄影测量技术的引入逐渐取代了过去的观测草图，是当前数字地形图获取的主要手段之一。倾斜摄影立体测图能够获取高精度的数据产品，数字地形图的生产主要利用摄影测量数据处理系统进行测区三维数据的采集，然后导入绘图软件进行编辑，最终得到DLG入库数据和制图数据[4]。这种方法虽然免除了观测草图的绘制，但是三维数据的采集与编辑过程相互独立，必须在采编软件中进行数据转换后才能进行后续作业，加大了工作量，无法满足地形图的快速生产。

二三维一体化技术可以很好地解决过去倾斜摄影测量中数据采编相互分离的问题，实现数字地形图采编一体化作业，应用二三维一体化技术进行地形图绘制的作业流程如图3所示[4]。

图3 二三维一体化地形图绘制作业流程图

对倾斜摄影测量获取的影像数据进行相对定向、像控刺点、绝对定向和核线重采样之后就可以得到测区三维模型和数字正射影像等产品。在清华山维EPS软件中新建测图工程，采用分屏方式同步加载测区三维模型和正射影像数据，通过矢量数据的三维映射对模型进行立体量测，就可以同时进行地物数据的采集和属性信息的编辑，进而完成各类地物的勾绘[5]。在成图过程中要注意以下几点：

①绘图时遵循由整体到局部、由精确到一般的原则，逐级采集三维模型数据，先绘制测区内主要的道路、建筑、河流，再勾绘次要地物。

②对各类地物分层管理，可以根据测区实际情况将地物分为定位基础、行政区划、水系、交通、居民地、管线、地貌、植被等八大类要素以便于后续入库管理[6]。

③对于建筑、道路等精度要求较高的地物采用放大屏幕的方法控制误差，菜地、果园等一般地物的绘制，屏幕不需要放很大，以此来提高成图效率[7]。

这样二三维一体化作业克服了过去采编独立带来的问题，而且绘制所得的地形图自身融合了测区三维信息，可以为测区的土地利用规划和地籍测量等领域提供新的解决方案。图4展示了在软件中采集编绘房屋的示意图。

图4 采集编绘房屋示意图

3.1 数据产品精度

(1)DEM成果精度

采用实地抽样检查的方式对DEM的精度进行评定，将测区按地形分为平地、丘陵和山地三类区域，共选择54个检查点，利用GPS RTK和全站仪的测量结果作为检查点坐标真值，与DEM上对应检查点的高程进行对比评定，DEM的精度评定表如表3所示。

表3 DEM精度评定表

经检验，DEM的精度为10.13 cm，符合项目精度要求。

(2)DOM成果精度

对DOM影像进行100%的内业检查，位置精度通过实地抽样检查，选取的54个检查点与抽查DEM时相同，将检查点的实测坐标与DOM图上坐标值进行对比评定，DOM的精度评定表如表4所示。

表4 DOM精度评定表

经检验，DOM的精度为8.04 cm，满足项目精度要求。

(3)DLG成果精度

对地形图的检查内容包括地形图平面精度、地形图高程精度、数据及结构正确性、整饰质量和附件质量。平面精度和高程精度均通过抽样检查的方式进行评判，在测区内分别选取65个平面检查点和76个高程检查点进行实地测量并与地形图上坐标进行对比评定，精度评定表分别如表5、表6所示。采用人工检测的方式对地形图的数据结构正确性、整饰质量和附件质量进行检查评定。

表5 DLG平面精度评定表

表6 DLG高程精度评定表

经检验，地形图的平面精度为 8.37 cm，高程精度为 11.02 cm，空间参考系和时间精度均符合要求，各地形要素采集基本正确，点线面要素的几何表达、图形综合取舍均符合技术设计要求，与周围图幅的几何位置和属性接边均正确，没有出现重要项目的错漏，地形图质量满足技术要求。

(4)其他精度

项目外业所测像控点的平面中误差为 2.8 cm，高程中误差为 3.1 cm，符合设计书要求。空三加密后所生成的三维模型成果的空间参考系和时间精度均满足项目要求，模型的平面中误差为 6.65 cm，高程中误差为 7.89 cm，模型接边准确、无明显缝隙，精细度符合要求。

3.2 结果分析与展望

数据产品的精度表明二三维一体化技术的应用完全满足基础测绘的质量要求，项目所得的 1∶1 000地形图和实景三维模型在检验中达到了优级品的水准，生产效率比传统方法提高了50%以上，日均工作成本节约60%以上，项目总经费只占预期经费的60%，所创造的经济价值达 1 000万以上，这些数据都证明了二三位一体化技术在基础测绘中具有巨大的应用价值。相比较于传统基础测绘作业，本项目中二三维一体化技术的应用具有以下5个显著优势：

(1)无死角测图，实现真正的全景测量，可以采集更丰富的地物特征信息，能更好地服务于各类应用场景，满足新时期智慧城市云服务的需求。

(2)一次采集就可以得到多种数据产品，并且可以在产品的基础上快速衍生，按需投入进行定制。例如，可以在三维模型基础上衍生出专题地形图，对测区内的建筑顶部私自搭建的违章建筑进行采集和面积计算，服务于城市管理部分。

(3)高精度，可以满足地籍和房产测绘的需求，颠覆了传统测绘的应用场景。例如，可以把传统矿山测量的格网密度由十米级、米级提高到分米级甚至厘米级，实现跨越式提升。

(4)作业效率提高，不需或只需布设少量外业像控点，同时内业数据处理依赖集群计算，自动化程度更高。

(5)集成度高，一套系统就可以处理倾斜摄影的海量数据，可以有效保障基础测绘信息的生产、服务和更新。

当前的基础测绘正在向信息化、智能化和网络化的方向发展，越来越多的新型测绘技术和设备已经服务于我国的测绘事业，未来的基础测绘体系建设可以从技术手段、工作内容、成果形式和生产服务模式四个方面更新完善[8]。在技术手段上，可以利用可量测的数码相机或车载激光扫描仪来获取近地测绘数据，取代过去的图根控制测量，再融合无人机倾斜摄影测量构成高度自动化的二三维一体化基础测绘体系，达到全方位测图的效果[3，9，10]。未来还可以融入遥感技术和卫星导航定位技术，完善数据资料的多元获取方式，将空地一体化扩展到空天地一体化，实现全球覆盖、海陆兼顾。在工作内容上，可以加强对云平台、大数据和人工智能等技术的研究，进一步优化基础测绘的作业流程，开发一套集方案规划、数据处理和信息系统于一体的基础测绘系统，促进数据处理的一体化，提高作业效率，提升测绘行业面对突发事件的应急保障能力[11]。在成果形式上，不再局限于过去的纸质地形图，积极推进三维实景地图、城市精细化模型的构建，利用云存储等技术建设新型地理空间数据库，实现海量成果数据的查询、管理和应用。在生产服务模式上，基础测绘应将服务对象从测绘地理信息行业转向全行业，丰富测绘产品的种类和应用领域，对产品进行及时更新，向社会提供多样化个性化的服务，促进新型基础测绘大众化公益化的有效实施。

本文研究了二三维一体化技术在广西某地基础测绘的应用，归纳整理了二三维一体化采编作业的流程和技术要点，分析了作业精度，验证了其在新型基础测绘作业中具有很好的可行性和应用价值。在当前大数据、云计算、高速通信技术快速发展之际，二三维一体化作业流程会进一步得到规范和优化，逐步形成高效智能的生产、管理、服务体系，从而为社会各界提供应用场景更广、更新周期更短、数据精度更高的基础测绘产品和服务，更好地保障国家基础测绘信息平台的良好运行。

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