综合利用多源数据优势开展山区带状复杂地形测绘探究

李 璐

（贵州省第一测绘院，贵州 贵阳 550000）

目前，大比例尺地形图（1∶500、1∶1000、1∶2000）测绘主要采用传统航空摄影测量方式或基于倾斜实景三维模型采集方式开展，技术路线一般采用“内-外-内”的方式，在立体像对或三维模型上采集地形地物要素，充分利用已有资料并叠加正射影像图开展外业调绘，最后结合外业调绘数据进行内业编绘和整理出图。但传统航空摄影测量和基于倾斜实景三维模型开展地形图测量方式各具优缺点，尤其在山区地形复杂区域，面临数据获取难、地形测绘工作量大、外业工作艰辛等困难，大比例尺地形图测绘工作效率较低。

文章基于贵州山区带状地形图测绘项目，探索综合利用多源数据的创新方式，充分发挥各数据源优势，破解技术难点，最大程度减少外业工作量，提高工作效率。

1 现有技术优缺点分析

1.1 传统航空摄影测量技术

航空摄影测量技术的不断发展，在数字化测图方法得到了广泛应用，具有高效、灵活的优势。航空摄影测量采用在飞行平台上搭载航摄仪器对地面连续摄取相片，结合地面控制点进行空中三角测量，通过内业立体测绘、外业调绘等步骤，绘制生产地形图。航空摄影立体测图具有模型精度高、影像纹理清晰等优点，不易存在拉花变形等问题，基于航空摄影测量工作站，可在立体像对上同时测量地物和地形要素，可连续、快速地进行大范围地形图测绘作业。其缺点一方面是作业人员一般需经过长期训练，方能高效地进行立体测图作业，对人员技能要求较高；另一方面，是垂直航空摄影在植被、建筑物遮挡区域容易造成信息缺失，外业调绘工作量较大。

1.2 倾斜实景三维模型测图技术

倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集高分辨率影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成可量测的实景三维模型。与常规的航空摄影测量或相比，采用倾斜实景三维模型进行大比例尺测图方式的主要优势，一是基于倾斜实景三维模型测图是采用裸眼三维测图方式，降低了技术人员准入门槛；二是采集建筑物时可以直接采集墙面，且可以内业判别房屋结构及楼层，减少外业调绘工作量；三是倾斜摄影重叠度较高且采用多角度摄影，比常规的航空摄影测量减少了视角遮挡的区域。其主要劣势，一是等高线采集不太便捷；二是植被容易拉花变形，植被类型辨别不准，且在贵州等植被高覆盖地区，如路堤、路堑、坎等地物边缘有植被覆盖时，难以准确采集其边线；三是立柱式独立设施及地物（如路灯、路牌、信号灯柱、里程桩等）在倾斜三维模型上大多是悬空的，立柱部分缺失，不便于判别采集。

1.3 LiDAR激光测图技术

机载 LiDAR 测量技术系统是以飞机作为激光测量平台，采用激光扫测系统进行测量，直接向地面、地表发射激光进行测量，实时获取地表地物的点云数据，从而获得地表三维空间信息。LiDAR激光测图技术的优势，一是利用激光束的反射原理，激光雷达可实现对地表地貌的高精度测量，无论是平坦地面还是复杂地貌，都可以被快速、精确的呈现；二是通过激光雷达高速扫描，可以在极短的时间内完成大范围地面数据采集；三是LiDAR不仅可以获取地表高程信息，还可以获取地上的植被、建筑物等其他特征，可为综合分析和决策提供更多的数据支持。其主要劣势，一是获取数据为离散点云，如不结合影像等其他数据，对技术人员来说，其数据可判读性不强；二是因激光点云数据为具有一定密度的规则点阵数据，不能按地表物体形状较好地反映其边缘细节，在大比例尺地形图测量中，不能较好的进行地物量测。

2 研究思路

2.1 研究概况

文章基于贵州省境内既有铁路地形测绘及定线工作项目开展，项目主要生产内容为开展全省约2 000 km既有普速铁路的航空摄影，获取优于0.05 m倾斜航空影像及分别满足1∶500和1∶2 000测量的激光雷达数据，以及铁路周边带状地形图测绘、平面图编制及安保线定位放线工作。

2.2 技术难点分析

（1）长距离带状航空摄影。项目航空摄影范围为全省范围内既有普速铁路沿线，线路长达2 000 km，除贵州山区气候复杂外，作业区域还具有距离长、范围窄、弯曲多、地形复杂、安全隐患大的特点，而开展优于0.05 m分辨率倾斜航空摄影，通常采用无人机进行航飞，但无人机飞行高度较低，两边多为高山陡崖，且在铁路上方开展无人机作业容易造成安全事故，作业难度大。

（2）山区带状复杂地形及铁路要素测绘。项目需对既有普速铁路沿线左右50 m范围开展带状地形图测绘，铁路所经区域多为山区及无人区，地形起伏大，外业工作难度大；车站范围内铁路专有要素类别多，测绘人员判别难。

（3）铁路沿线区域外业安全隐患大。如采用常规航空摄影测量“内-外-内”作业方式开展地形图测绘，需进行大量外业调绘工作；在定线放点阶段，按规定需对铁路两侧安保线每隔200 m距离以及在人员活动频繁的道口、桥隧两端、交通涵、公铁立交桥附近等进行定线放点，均可能存在铁路上线、穿线的外业工作，安全隐患大。

2.3 解决方案

针对以上技术难点分析，研究综合采用直升机航空摄影、机载激光雷达及实景三维等新技术予以解决，具体解决方案如下。

（1）载人直升机长距离带状倾斜航空摄影+厘米级激光点云数据获取。利用直升机作为飞行平台，具有续航时间长、工作效率高、飞行稳定性强、安全性好的优势，而且航线规划高度较高，远离铁路，切实保障作业安全和铁路运行安全；结合已有DEM数据及多镜头框幅式数码航摄仪的设备性能参数，按照铁路走向，科学设计航摄分区，保障铁路左右两侧各100 m范围优于0.05 m分辨率倾斜影像、厘米级激光点云数据覆盖，并探索开展长距离带状点云融合及复杂地形带状实景三维融合处理。

（2）综合利用多源数据优势，有效提高作业效率。针对贵州气候环境特殊，作业区域地理环境复杂等因素，综合利用航空摄影影像清晰度高、倾斜三维模型采集效率高、地物可判别性强、点云数据地形精度高等优势相结合开展作业，提高地形图测绘的工作效率。

（3）优化技术方法，减少外业工作。利用实景三维模型良好的可视化效果，在地形图测绘阶段，有效提高内业判读能力，采集建筑物时可以直接进行房檐改正，且可以内业判别房屋结构及楼层；对于铁路专有要素，利用高清影像制作铁路要素样本库，极大减少外业调绘工作量；在定线放点阶段，基于倾斜实景三维模型判断选定安保线定桩点位，进行外业路线设计，避免铁路上线作业，有效保障外业安全。

3 技术方法

3.1 技术路线

针对贵州地形山高、谷深、悬崖、陡峭等地貌的特点，采用直升机搭载倾斜摄影和激光雷达设备，对铁路线路车站、区间线路两侧各100 m带宽倾斜航空摄影和激光点云数据获取，并生成倾斜实景三维模型成果，综合采用航空立体像对、三维模型、正射影像和激光点云数据，分别按照1∶500、1∶2000图式要求测绘地物、地形要素，初步形成铁路车站和铁路区间线路地形图底图，开展外业补测地形地物和铁路设施要素，内业编辑、图面整理，形成地形图。按照铁路安全保护区划定要求，在地形图上划定安全保护区范围，编制安全保护区平面图，并在铁路两侧选择相应位置进行安保线定位放点。技术流程如下图1。

图1 技术流程图

3.2 关键技术应用

3.2.1 复杂地形带状实景三维融合技术

项目属于带状工程，测区地形起伏较大，为达到较好的复杂地形带状实景三维融合效果，采用高精度的激光点云作为Mesh模型构造的数据源，基于多源数据融合自动生产三维模型，保证了建模精度和效率。一是结合已有DEM数据及多镜头框幅式数码航摄仪的设备性能参数，按照铁路走向，科学设计航摄分区，保障铁路左右两侧各100 m范围倾斜影像、激光点云数据覆盖；二是基于激光雷达航摄仪的激光点云生产高精度DSM，采集三维要素体框模型；三是通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取地物三维几何信息，同时对倾斜多视影像进行影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取地物全方位纹理信息，实现三维模型的快速制作。

3.2.2 喀斯特山区多数据源结合采集技术

根据项目需求，充分发挥各数据源优势，采用多种数据源相结合开展地形图采集，极大程度提高了作业效率，避免了在铁路线路上开展外业测绘，切实保障铁路运行安全。主要基于以下方式开展综合法测图作业：

（1）基于航空立体像对+倾斜实景三维模型开展1∶500地形图地物要素采集。在城镇开发边界范围内的铁路沿线需采集1∶500地形图，大部分是火车站、货场等区域，需表达的地物要素及细节较多，以航空影像立体模型采集方式为主，倾斜实景三维模型辅助房檐改正及地物判别，在满足精细化测图的同时，减少外业调绘工作量。

（2）基于倾斜实景三维模型+正射影像开展1∶2 000地形图地物要素采集。城镇开发边界以外1∶2 000地形图测绘以倾斜三维模型采集方式为主，正射影像辅助地物判别，以达到较高的生产效率。

（3）基于机载Lidar数据开展山区带状地形要素测绘。针对喀斯特山区带状区域高差大、地形破碎、作业区域狭长等因素导致地形数据生产困难问题，采用对Lidar点云数据进行去噪、分类、滤波等操作，生成数字高程模型，并转化、内插生产等高线和高程点等地形要素，相较于传统立体航测采集的方式，简化了生产流程，提高了地形精度。

3.2.3 倾斜实景三维模型高效应用

（1）三维模型助力安保区基准线快速判别。按《铁路安全管理条例》相关规定，安保区的划定基准线为铁路线路路堤坡脚填筑最低点、路堑坡顶开挖最高点、铁路设备边界最外侧或者铁路桥梁及其附属设备最外侧投影等，基于倾斜实景三维模型的三维立体可视化效果能够清晰、准确、快速的判别此类地形地物特征，提高基准线划定的准确性和作业效率。

（2）极大减少外业工作量，有效保障作业安全。在地形图测绘阶段，基于倾斜实景三维模型高清晰度、多视角的特点，有效提高内业判读能力，采集建筑物时可以直接进行房檐改正，且可以内业判别房屋结构及楼层，极大减少外业调绘工作量；在定线放点阶段，基于倾斜实景三维模型判断安保线定桩点位，进行外业路线设计，避免铁路上线作业，有效保障外业作业安全及铁路运行安全。

3.3 成果质量验证

经具有测绘质量检验资质的第三方机构进行质量检查验收，项目成果数字正射影像、安全保护区平面图、安全保护区地形图、安全保护区数据库、点云数据、倾斜三维模型、放样点交桩记录册等成果详查、概查均无不合格品。其中安全保护区平面图成果质量等级为良，地形图成果质量等级为良，倾斜模型成果质量等级为优，放样点交桩记录册成果质量等级为优，质量符合项目要求。

4 结论

文章采用多源数据综合利用法，充分发挥了传统航空摄影测量影像清晰真实优势、倾斜实景三维模型裸眼多视角采集优势、激光点云数据高精度快速生产地形数据优势，优化了作业流程，切实提高作业效率、保障生产安全，成果顺利通过验收，并因提供的类型丰富的数据成果得到业主方好评，可为山区复杂地形测绘提供参考借鉴。