多技术融合的城市基本比例尺地形图更新及应用研究

张苗亚，赵艳福，许建宣

(1.宁波市测绘和遥感技术研究院，浙江 宁波 315000； 2.宁波市阿拉图数字科技有限公司，浙江 宁波 315000)

1 引 言

基础测绘是国民经济和社会发展不可或缺的基础性和先进性工作。城市基本比例尺地形图作为基础测绘工作的重要组成部分，是开展国土空间规划编制、城乡建设管理和自然资源管理等的基础地理信息资料[1]。随着经济和社会的高速发展，各级政府部门、社会公众对城市基本比例尺地形图的需求日趋旺盛，并对相关数据的可靠性、现势性和全面性等方面提出了更高的要求，传统基础测绘中地形图制图技术与更新模式的短板日益突出，加快“图库分离”向“图库一体、以库出图”的转变、构建多技术融合的城市基本比例尺地形图更新流程和模式是测绘改革创新发展的必然要求[2]。

目前，城市基本比例尺地形图更新主要存在的问题包括：①地形图变化发现自动化程度不高；基于高空间分辨率遥感影像的变化发现与获取技术受影像中建筑物阴影和云雾遮挡等的影响，对于地形图中部分点状地物和线状地物的微小变化难以识别[3]，并且在变化检测过程中存在繁重的人工劳动，变化发现的自动化程度不高。②制图资料与建库数据的一体化程度不高：传统的基本比例尺地形图以满足纸质出图为主，数据生产中存在“图库分离”“图属分离”等问题，数据的对象化和整体化程度较低[4，5]；③多源新型信息技术耦合度不高：随着各种新型传感器及测绘科技的不断发展和进步，测绘科学已由数字化测绘发展到信息化测绘[6]。如何整合多源信息技术对数据进行快速有效的动态更新，是提高地形图测绘质量和效率水平亟须解决的重要问题之一。

2 多技术融合的城市基本比例尺地形图更新方法

2.1 地形图变化范围的发现

随着遥感影像获取技术和空间数据处理技术的发展，利用高空间分辨率卫星遥感影像获取地物变化情况的技术也日趋成熟[7]。高分辨率遥感影像具有获取周期短、数据覆盖面积广和地物信息丰富等特点，可实现对局部区域的地形或地表地物变化的快速发现[8]。目前，常用的利用遥感影像进行变化检测的方法包括基于地形图矢量数据、遥感影像的叠加判断分析和基于前后两期遥感影像的变化检测等[9]。

2.2 利用竣工测量成果的地形图缩编更新

城市建设工程竣工测量通常包括建筑物竣工测量、市政道路竣工测量和地下管线竣工测量三部分内容[10]。竣工测量的相关数据成果具有较好的数学精度和一定的现势性，与城市大比例尺地形图相比也具有更加丰富的属性信息，可为城市基本比例尺地形图的生产和更新提供相应的支持，是地形图进行更新的重要数据源之一[11]。

利用竣工测量成果更新城市基本比例尺地形图数据的基本流程包括：数据更新内容确定、更新空间范围确定、数学基础转换、数据结构统一、地图编绘/制图综合、数据层更新/局部更新、数据接边和质量检查等。

2.3 基于航空摄影测量的地形图更新

航空摄影测量技术是集无人机(UVA)、实时动态定位和图像融合为一体的现代化测绘技术[12]，与传统的测绘数据采集技术相比，航空摄影测量技术具有低成本、高效率和高精度等优势，已在大比例尺地形图、自然资源调查和地质灾害应急测量等领域发挥了重要的作用[13]，特别是在大范围的地形图更新中，航空摄影测量技术的应用优势更加显著。

基于航空摄影测量的城市基本比例尺地形图更新基本流程包括：资料收集与航线布设、航摄实施与影像处理、像控布点与测量、空三加密与立体恢复、线划图采集与属性判读、外业调绘与精度评价等。

2.4 基于倾斜三维模型的地形图更新

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一种新型测绘技术。该技术是通过无人机搭载的不同方位传感器同步采集具有一定重叠度的影像，结合像控点及POS/GPS等数据，利用多视影像匹配和平差算法自动生成具有测绘级精度倾斜三维模型的方法[14]。基于倾斜三维模型的地物特征数据内业采集，不仅能够准确获取大部分地物的属性信息，并且能够直接在三维模型上精确地提取高程点信息，可有效避免传统航空摄影测量技术中所需的大量外业调绘工作以及丰富的数据采集经验等缺点，能够大幅度提高测绘工作的效率[15]。

基于倾斜三维模型的城市基本比例尺地形图更新的主要技术流程包括：航摄准备工作、像控点布设与量测、航线布设与多视角影像采集、实景三维建模及模型修饰、三维立体测图、外业补测、精度评定等。

3 实践应用

3.1 项目概况

为进一步提升宁波市基础地理信息资源服务能力，满足自然资源规划统筹管理和社会各界对基本比例尺地形图的使用需求，宁波市测绘和遥感技术研究院(以下简称“宁波院”)在宁波市自然资源和规划局的组织领导下完成了2019年宁波全市 1∶2 000地形图整合与更新工作。该项目主要包括全市 1∶2 000基础地理信息数据整合、市规划区数据更新以及数据成果的标准转换等内容。

针对已有资料收集情况和全市地形图现势性不同的特点，宁波院制定了城市基本比例尺地形图更新工作方案，采用多技术融合的更新模式，完成了项目要求的全部内容。其中，利用倾斜实景三维模型完成了全市中心城区重大建设工程的3D裸眼测图与更新；利用航空摄影测量技术完成了市规划区的内外业一体化数字测图与更新；对于已收集到相关竣工测量成果的更新区域，则采用竣工缩编的方式完成了地形图数据的更新。

此外，本项目利用自主研发的多级比例尺地形图采编处理系统实现了航摄立体采集、倾斜模型测图及修编一体化的更新作业模式，改变了传统工艺中制图与数据库分开建设与管理的模式，真正实现了“图库一体、以库出图”的目标。综合利用多技术进行大比例尺地形图综合更新方法的技术流程如图1所示。

图1 1∶2000比例尺基础地理信息资源生产工艺流程图

3.2 作业情况

(1)基于遥感影像的地形图变化发现

项目利用航摄影像、DOM成果、1∶2000地形图等已有基础资料，通过遥感影像变化检测系统，对不同期航摄影像进行对比，自动提取变化范围图斑。该系统采用Microsoft.NET.Framework框架，结合OpenCV计算机视觉库以及ArcGIS Engine接口，通过配合遥感处理软件ENVI/IDL完成遥感影像变化位置发现提取。遥感影像变化检测系统的具体界面如图2所示。

图2 遥感影像变化检测系统界面

(2)利用竣工测量成果的地形图缩编更新

项目采用宁波院自主研发的多级比例尺地形图采编处理系统的自动缩编模块完成利用竣工测量成果的地形图更新工作，该系统是集采编成图、数据入库、产品制作和质量检查为一体的地理空间数据处理平台。基于多级比例尺地形图采编处理系统的缩编作业流程包括数据转换与导入、程序自动缩编、人工综合编绘、数据质量检查等。整个缩编过程采用人工和自动化相结合的方式，有效减少了数据整理和人工处理的工作量，在保证数据成果质量的同时也提高了缩编的工作效率。程序自动缩编和数据检查项规则集如图3所示。

图3 程序自动缩编和数据检查项示意图

(3)基于航空摄影测量的地形图更新

项目采用多级比例尺地形图采编处理系统的航测采集模块完成数据内业测图等工作。基于航空摄影测量的地形图更新支持各种测图模式下地物和属性的同步采集，获取的数据既具有点、线、面等完整的拓扑结构，又能满足地图符号化、地理分析功能及数据库查询和统计分析等操作，实现了地形图数据的图库一体化和采编一体化。航测内业测图软件环境如图4所示。

图4 立体采集作业

(4)基于倾斜三维模型的地形图更新

项目利用Context Capture软件生成实景三维模型成果，并采用多级比例尺地形图采编处理系统的3D测图模块完成内业地形图数据的采集。基于倾斜三维模型的地形图更新，不仅在符合人眼视觉感受的模型下开展测图工作，还解决了航测立体采集中的房屋层数、屋檐改正等问题，在保障数据精度的同时极大提高了测图的工作效率，大幅度减少了作业人员外业调绘的工作量。此外，基于倾斜实景三维模型的数据建设仍为多级比例尺地形图采编处理系统，无须跨平台即可完成图库一体数据建设。基于实景三维模型的数据采集界面如图5所示。

图5 基于实景三维模型的数据采集界面

(5)地形图标准转换

按照浙江省《浙自然资发[2019]13号浙江省1∶2 000比例尺基础地理信息资源更新工作技术方案》要求，项目实现了地形图地物要素表达标准由宁波市标准向浙江省标准的半自动转换。其中，标准转换共涉及市标989个地物要素细类，7种标准转换类型(完全对应、拆分表示、合并表示、几何变更、省标新增要素处理、市标扩充要素处理以及注记转换等)。标准转换工作以不影响出图效果，全面保留地标地物要素为前提，通过计算机程序自动化转换为主、人工编辑为辅的方式完成了数据标准转换工作。地形图数据标准转换工具箱界面如图6所示。

图6 地形图标准转换工具箱

3.3 精度检验及分析

项目的质量检查以更新面积折算的标准图幅数量为批量，按照GB/T 18316-2008和GB/T 24356-2009检验规范要求的样本量确定抽样样本图幅，采用内外业相结合的检查方法对产品成果进行检查。经统计，总面积 312.5 km2的更新实测区域(涉及图幅数量 1 635幅)共抽取样本图幅46幅。其中，平面位置检测点数 1 240个，平面位置中误差为 37.9 cm，高程检测点数 1 150个，平面位置中误差为 16.3 cm，数据成果的平面和高程精度均符合项目设计及相关规范要求。

4 结 语

本文在分析目前城市基本比例尺地形图更新存在问题的基础上，归纳总结了城市基本比例尺地形图更新的主要技术手段及基本工作流程，并以宁波市 1∶2000基础地理信息数据整合项目的应用为例，简要阐述了多源技术融合的相关做法和数据成果质量评定方式方法。研究结果表明，多源技术融合的城市基本比例尺地形图更新方式能够满足 1∶2 000地形图数据规范要求，该模式能够有效减少外业工作量，缩短项目生产周期，提高工作效率，对其他城市基本比例尺地形图的更新具有一定的借鉴意义。