【航測必看】一文搞懂大比例尺地形圖測繪

大比例尺地形圖作為城市基礎地理信息的重要來源，被廣泛應用於多個領域。

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無人機航測與傳統測繪對比

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比例尺基本概念

2.1 比例尺概念

地形圖上一段直線長度與地面上相應線段的實際水平長度之比，稱為地形圖的比例尺。

2.2 比例尺分類：

大比例尺圖：1:500、1:1000 、1:2000 、1:5000 、1:1萬

中比例尺圖：1:2.5萬、 1:5萬、 1:10萬

小比例尺圖：I:20萬、1:50萬、I:100萬

2.3 比例尺精度：

人用肉眼能分辨的最小距離一般為0.1mm，所以把圖上0.1mm所表示的實地水平距離稱為比例尺精度，即0.1mmXM

M為比例尺分母

2.4 比例尺與大小關係：

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地形圖採集方式

3.1無人機低空航攝與RTK相結合方式

針對測量區域面積大、區域內地物不複雜、四周寬敞的情況，利用無人機低空航攝與RTK測量組合測量方式能夠降低野外工作量，提高作業生產效率。

無人機低空航攝與RTK組合測量方式的作業流程控制如圖1所，傳統的航攝作業流程採用先布設像控點再進行空三加密的方式，這種做法工作周期較長，無法體現出無人機航攝的先期性，因此可對基於無人機的航攝傳統作業方法進行改進，存對測區進行外業實地測量前，利用自由網平差方法對無人機航攝影像進行空三加密，獲取自由坐標系下的DOM與DEM數據， 基於此 DOM數據在數位化測圖軟體中繪製該區域線化圖，再利用RTK碎步測量採集特徵點後轉換成指定坐標系，該種方法的精度取決於自由網平差過程中連接點的匹配精度。為提高連接點匹配精度，一方面在航飛線路設計時採用垂直構架航線，實現影像的全方位高重疊度，有效解決了同名連接點的誤匹配;另一方面在影像數據內加密時利用先進的計算機視覺與攝影測量相結合的算法，對多度重疊點進行多方向的前方交會，解決連接點的有效匹配，在此基礎上根據匹配情況採用一定量的人工幹預，從而提高數據的內業平差精度。

3.2 RTK與全站儀相結合測量的方式

部分測區分布在建築物複雜密集的市區中心，以蘭州市為例，由於周圍建築物高大密集，採用無人機航攝方法獲取的 DOM數據將被高樓遮嚴重，效果不好。而由於衛星信號遮擋嚴重，僅利用RTK碎步測量也無法完成測量任務。

RTK與全站儀組合測量的方式是利用RTK在測區內寬敞地區布置一些全站儀測量所需的控制點，全站儀測量的起算數據就是以這些控制點數據為準。這種改進全站儀的測量方式，省去了傳統布設導線控制網的過程，能夠大大縮短作業時間。該種測量方式的精度大部分取決於起算控制點RTK測量的精度，RTK測量能達到釐米級別的精度，以南方S82T儀器 為例 ，其平面精度 ±1c m + 1ppm，高程 精度 ±2cm + 1ppm，在測量過程中利用多臺儀器多次測量同一個點位並互相比對後，得出控制點最佳坐標值，實際實測過程中全站儀測量利用 1秒級精度儀器，保證了測量結果能夠達到較高的精度。

3.3 改進RTK測量方式

針對測區區域面積較小、建築面積不密集、衛星信號較好的情況，可採用 RTK碎步測量的方法獨立作業。

傳統RTK測量是利用測量點序號編號，並在野外現地繪製草圖，該種辦法至少需要兩個人員配合，效率一般，尤其是內業成圖過程中，如果野外測量草圖繪製凌亂， 將大大影響內業成圖效率。改進RTK測量方式是將測量的碎步點編成個人習慣的縮寫代碼，省去了野外繪製草圖的過程，在內業成圖時，能使採集的碎步點能夠清晰的描繪出一幅電子草圖，具有很高的效率， 促進來了內外業作業一體化。圖 3列出了某綠化帶和房屋的編碼，以綠化帶為例，在利用 R T K碎步採集的時候，編碼以縮寫字母依照順序進行，並在有弧度的點位標明 ( 如 ld4y ) ，在測量房屋建築時，往往房屋拐角是RTK電臺與GPS信號盲區，可通過隔點測量的方式進行，並標明隔點位置 ( 如 F4G表示距上一點隔一個點位，F6G2表示距上一點隔兩個點位) 。採用如上編碼方式，不僅省去了野外繪製草圖的過程，提高了外業測量的效率，降低了野外人力物力的投入，同時縮短了內業作圖的時間。

3.4 RTK與圖紙資料相結合的方式

部分測區存有己測繪過的高精度大比例尺地形圖紙質資料，針對這種情況，可利用 R T K與圖紙資料相結合的方式，將掃描柵格圖像糾正後矢量化，再利用RTK測量特徵點，求解轉換參數後轉換到指定坐標系下，並利用RTK測量對變化區域修測。

為減少圖像糾正的誤差，將掃描的圖紙劃分成若干個小塊，再對這些局部區域進行精糾正，改正局部畸變。通常採用地形圖上的方格網作為最小局部糾正區域，通過人工交互精確確定方格網四個角點的圖像坐標和高斯平面坐標值，確定雙線性變換模型多項式係數，利用該模型實現圖像糾正。具體作業流程如圖4所示。

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檢查精度的常見方式

4.1 RTK與圖紙資料相結合的方式

大比例尺地形圖修補測常見精度問題有平面中誤差超限、平面檢測粗差超限、高程中誤差超限、高程檢測粗差超限、間距中誤差超限、間距檢測粗差超限等。

4.1.1平面中誤差超限

檢查方法是先採集明顯地物點的坐標值;再根據圖上坐標與採集的坐標差值，計算點位中誤差。若坐標分量差值中存在系統誤差，則中誤差很可能超限。其原因及處理辦法為：

1)外業採集時採用的坐標系與成圖坐標系不一致;檢查坐標系的一致性。

2)外業採集時圖根控制點存在系統誤差或粗差;檢測圖根控制點，確保外業採集點的準確性。

3)內業成圖時，空三加密存在誤差或粗差導致立體模型扭曲、變形;平面、高程中誤差可能同時超限。此時，應檢查像控點成果的正確性[1]、空三加密成果的可靠性[2]、建模過程中相對定向與絕對定向的準確性[3]。此環節出問題需重新建模，並重新採集模型範圍內的數據。

4)內業採集時，超描(超出像控點控制範圍)測圖也會產生系統誤差，導致平面中誤差超限。該情況出現在模型外圍，應變換模型檢查，重測超描部分。

5)隨機誤差中，分割不當、取捨不合理、觀測沒

照準、線(面)狀地物連線錯誤、獨立地物與附近點混淆，屋簷改正精度不夠，都會引起粗差率超限或平面中誤差超限。

4.1.2 平面檢測粗差超限

《測繪成果質量檢查與驗收》規定[4] ：粗差率≤ 5%[5] 表明，測圖過程中允許存在粗差，但當粗差率> 5% 時應查明原因並進行修正。粗差產生的原因，除了系統誤差(平面中誤差超限)，主要有分割不當、遺漏、變化、屋簷改正錯誤等。檢測相鄰地物的間距，可查出此類錯誤。

1)分割不當，主要是由於航攝影像遮擋、陰影等產生的錯層房屋投影變形導致的分割錯漏;可通過巡視、全野外數據採集進行檢查、修改。

2)房簷改正不準確，大比例尺測圖要求進行房簷改正。房簷改正一般要求以滴水線為基準，現在建築物大多看不清滴水線，房簷改正僅憑作業人員經驗判斷，錯誤較多。

4.1.3 高程中誤差超限

1)檢測採用的圖根控制點存在系統誤差或粗差、儀器高量取錯誤都可能導致高程中誤差超限。此類檢測點誤差具有系統性，即誤差大小相似、符號一致，應重新核查。另外，內業測圖人員的工作習慣(有人習慣切浮、有人習慣切沉)也會產生系統誤差[6]，從而導致高程中誤差超限，此時應換人重測。

2)立體模型扭曲、變形。其表現為在局部小範圍內(一個立體模型中心部位)出現高程值異常，存在向模型中心遞增(遞減)趨勢，且平面中誤差較大;此時應考慮重新建模、測圖。

3)地物、地貌發生變化。測圖周期內，道路翻修、場地平整等都會引起高程中誤差超限，此類誤差具有集中性、區域性，粗差集中在某一條路上或某一區域內;應及時更新、進行修補測。

4.1.4 高程檢測粗差超限

1)全野外採集時，稜鏡高、RTK 杆高變化沒有及時更改可能導致少數點的高程值粗差超限。這類誤差具有隨機性，應檢查測量方法是否正確[7]。

2)內業測圖未切準模型也會使高程值粗差超限。

4.1.5 間距中誤差與間距檢測粗差超限

1)平面點採集精度和屋簷改正精度決定了間距誤差的大小。間距中誤差超限，應對接近限差的間距進行複查;必要時應對超過中誤差的間距誤差全部覆核。

2)間距檢測粗差超限，原因與平面粗差超限類似，處理方法也相似。同時，採集精度不高也會引起粗差超限，此時可考慮在誤差範圍內採用各改一半的方法進行修改。

4.2 案例介紹

本文對HD 測區1 ∶ 500 抽樣檢查結果進行了分析(表1)。測區面積為10 km2，共160 幅圖，本次抽樣選取13 幅，其中平面中誤差超限4 幅、平面檢測粗差超限9 幅、高程檢測粗差超限6 幅，間距檢測粗差超限10 幅，去掉粗差間距中誤差、高程中誤差不超限。

由表 1 可知，整體質量評定為「 批不合格」。現以****7721 號圖為例(表2)分析原因，並確定處理方案。

由表1、2 可知，平面粗差率為2/29(取2 倍中誤差為限差)大於5%，剔除粗差(粗差不參與精度統計)後平面中誤差為0.262，大於中誤差限差±0.25[8]。

結合圖形分析：圖1 中601 點由於漏測陽臺導致粗差(原圖中漏測陽臺)，603 點沒有進行屋簷改正，實測房角在房屋內部，可通過巡視發現問題並修改。631 點電桿、632 點路標未作偏心改正，點位誤差較大、間距誤差超限，通過檢查間距誤差或地物的相對關係就能發現問題並改正。圖2 中605 點為檢測的陽臺角(原圖中漏測陽臺)與6051 點對稱，可通過巡視發現問題並修改。609、612、613、606 點由於屋簷改正不當(其中606 點應與6061 點齊)，導致粗差，通過檢查間距誤差可發現問題。

4.3 精度分析

消除粗差和修改大於中誤差的誤差值後，圖形整體精度有了很大提高，平面中誤差為0.158，小於限差±0.25，滿足設計要求，見表3。本例為了論述方便，在消除粗差和誤差較大值後，直接進行精度統計;而在實際工作中須重新抽樣檢查，並進行精度統計。

4.4 精度問題處理方法

航空攝影測量大比例尺地形圖測繪的數學精度不容易控制，誤差主要來源是外業調繪屋簷改正部分，僅憑作業人員的經驗，有太多不確定的人為因素。因此，減少屋簷改正誤差，就能較容易地控制大比例尺地形圖精度。根據多個測區生產經驗，本文提出以下避免調繪數學精度出錯的方法：

1)開始調繪前，對內業數據進行外業抽樣檢查，確保內業生產數據符合外業調繪精度要求，減少錯、漏。

2)內業採集時，一般要求採集建築物的外圍形狀，為了便於外業精度檢核，對於女兒牆和內業數據採集可看見的牆角必須採集，並單獨存放在一個規定數據層。內業編輯時，對調繪的數據進行檢核，可大批量減少外業調繪錯誤。

3)利用相鄰不需進行屋簷改正的地物的相對關係進行屋簷改正，如城郊民宅房屋門面一般都是整齊劃一的，可以沒有屋簷改正的房屋和圍牆數據為基準確定門面的屋簷改正，不僅方便快捷，而且準確度高。

4)單位和工廠中大型建築的屋簷改正特別困難，可以充分利用內業採集數據準確的獨立地物、內部道路邊線、花壇、圍牆、電桿、相鄰建築物的邊線的相對距離來進行屋簷改正。

5)低矮建築物沒有滴水線的屋簷改正，可運用手持測距儀垂直放置在地面照準屋簷，通過手持測距儀的移動確定滴水線位置。

6)建築物的分割，有屋簷改正的必須進行地面實地量測。

7)建築物附近沒有其他條件時，測量建築物長寬，對屋簷改正後的數據進行檢核，若精度超限，只能採用全站儀野外實測。

8)影像遮擋、內業無法定位的地物(井蓋、消防栓等)及局部更新，可採用交會法或全野外測圖的方法進行修補測。

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常見使用規範

表1 地物點相對鄰近控制點的點位與間距中誤差

表 2 地形圖基本等高距(單位：m)

表 3 等高線插求點的高程中誤差

表 4　地形圖高程精度要求(單位：m)

舉例說明：

以1:1000成圖比例尺的丘陵為例，查表可知基本等高距為1.0m，地形圖高程精度要求為1/2等高距，則可以計算出高程精度需滿足1.0m*1/2 = 0.5m精度

表 5　地面解析度

表 6　基本定向點殘差、檢查點誤差最大限值

表 7　航測成圖地物點相對鄰近控制點的點位與間距中誤差(單位：m)

表 8　地物點平面精度要求

舉例說明：

以1:1000成圖比例尺的山地為例，查表可知丘陵地的平面精度要求為圖上0.6mm，換算後即為0.6mm*1000 = 0.6m

表 9　地形圖基本等高距(單位：m)

※括號內數值表示可選基本等高距，一幅圖內不得採用兩種以上基本等高距

表 10　等高線插求點的高程中誤差

※特殊困難地區可放寬50%

表 11　地形圖高程精度要求（單位：ｍ）

舉例說明：

以1:1000成圖比例尺的丘陵為例，查表可知基本等高距為1.0m，地形圖高程精度要求為1/2等高距，則可以計算出高程精度需滿足1.0m*1/2 = 0.5m精度

表 12　高程中誤差

※1:500地形圖平地、丘陵宜採用平高全野外控制布點，1:1000、1:2000地形圖平地可採用全野外控制布點。未加括號的等高距是優先採用的，括號內是可選等高距及對應的中誤差要求。

參考文獻：

倪峰,鄒秀瓊,李傳方.攝影測量大比例尺地形圖測繪的數學精度研究[J]. 地理空間信息, 2016, 0(11): 91-94.

鄧偉峰,張之孔,王俊強.多種測量方法在大比例尺地形圖測繪中的應用[J]. 測繪技術裝備, 2017, 19(1): 56-58.

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