《4D产品生产综合实习》
实习报告
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2012年6月28日
一、实习目的与意义
本次实习的目的是将大学所学的知识运用到实际的生产中，了解4D产品的概念与生产原理，熟悉运用VirtuoZo工作站生产4D产品的操作流程，将课堂所学的数字摄影测量知识付诸于实践。
经过这次实习，对生产DEM、DOM、DLG的过程有了大致的了解。通过将理论联系实际，利用所学的摄影测量学知识指导生产实践活动，从而进一步深入理解所学习的理论知识，为今后的工作和学习打下坚实的基础。
二、实习内容
2.1 4D概念简介
2.1.1 4D的定义
随着测绘技术和计算机技术的结合与不断发展，传统的测绘产品正在逐步向地理信息产业化转变，一个明显的特征就是数字化的迅速发展。现代数字地图主要由DEM、DOM、DLG、DRG以及复合模式组成。
DEM (Digital Elevation Model，数字高程模型)：数字高程模型是以高程表达地面起伏形态的数字集合。可制作透视图、断面图，进行工程土石方计算、表面覆盖面积统计，用于与高程有关的地貌形态分析、通视条件分析、洪水淹没区分析。
DOM (Digital Orthophoto Map，数字正射影像图)：利用航空相片、遥感影像，经象元纠正，按图幅范围裁切生成的影像数据。它的信息丰富直观，具有良好的可判读性和可量测性，从中可直接提取自然地理和社会经济信息。
DLG ( Digital Line Graphic，数字线划地图)：现有地形图上基础地理要素分层存储的矢量数据集。数字线划图既包括空间信息也包括属性信息，可用于建设规划、资源管理、投资环境分析等各个方面以及作为人口、资源、环境、交通、治安等各专业信息系统的空间定位基础。
DRG (Digital Raster Graphic，数字栅格地图)：数字栅格地图是纸制地形图的栅格形式的数字化产品。可作为背景与其他空间信息相关，用于数据采集、评价与更新，与DOM、DEM集成派生出新的可视信息。
2.1.2 4D产品的主要生产方法
DEM的生产中最常用最有效的方法之一就是数字摄影测量方法。利用附有的自动记录装置（接口）的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据。此外还有地面测量、现有地图数字化、空间传感器以及LIDAR +CCD相机等方法来实现DEM的数据采集。
DOM是利用DEM对经扫描处理的数字化航空像片或高空采集的卫星影像数据，逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影数据集。对于航空像片，利用全数字摄影测量系统，恢复航摄时的摄影姿态，建立立体模型，在系统中对DEM进行检测、编辑和生成，最后制作出精度较高的DOM。对于卫星影像数据，可利用已有DEM数据，通过单片数字微分纠正生成DOM 数据。
DLG可采用平板仪测量、全野外数字测量、GPS测量、地图数字化以及摄影测量等方式进行采集。
以全野外数字测量和GPS测量为例，前者利用电子手簿、便携机或掌上电脑与全站仪相连，测量结果直接以数字形式存储，不需要经过内业数字化处理。后者采用实时动态GPS测量系统，用两台或更多台GPS 接收机来协同工作，将一台接收机作为基站，放在已知点上，其他接收机对空间目标测量，采集的数据存放便携电脑或掌上电脑中。
DRG是通过一张纸质或其他质地的模拟地形图，由扫描仪扫描生成二维阵列影像，同时对每一系统的灰度或分色进行量化，再经二值化处理、图形定向、几何校正即形成一幅数字栅格地图，需要经过图形扫描、图幅定向、几何校正，色彩纠正等几个步骤。
2.1.3 4D产品的应用
DEM的应用，在于通过计算机采用一定的算法，能够很方便地将DEM数据转换为等高线、透视图、断面图、坡度图以及专题图等各种衅解产品，或者按照用户的需求计算出体积、空间距离、表面覆盖面积等工程数据和统计数据以及进行通视分析、域特征地貌与地形自动分割等。
DOM具有精度高、信息丰富、直观真实等优点，可用作为背景控制信息，评价其他数据的精度、现实性和完整性；可从中撮自然资源和社会发展信息，为防止灾害和公共设施建设规划等提供可靠依据；还可从中提取和派生新的信息，实现地图的修测更新。在城市测绘领域，DOM被广泛应用于城市规划设计、交通规划设计、城市绿化覆盖率调查、城市建成区发展调查、风景名胜区规划、城市发展与生态环境调查与可持续发展研究等诸多方面，取得了显著的社会与经济效益。
DLG满足地理信息系统进行各种空间分析要求，视为带有智能的数据。可随机地进行数据选取和显示，与其他几种产品叠加，便于分析、决策。
DRG可作为背景用于数据参照或修测其他地理相关信息，用于数字线划地图（DLG）的数据采集、评价和更新，还可与数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）等数据信息集成使用，派生出新的可视信息，从而提取、更新地图数据，绘制纸质地图。
4D产品构成了地理信息系统的基础数据框架，是其他信息空间载体，用户可依据自身的要求，选择适合自己的基础数据产品，研制各种专题地理信息系统。如在电力管理信息系统中引入适当的GIS系统，可以为电力管理提供行之有效的辅助决策方法；地理信息系统应用于地名数据库管理，提高人们对城市的监控能力；地理信息系统应用于房地产管理，将空间数据与大量的非空间数据（属性数据）结合起来，为维护主地产市场正常、高效运行发挥重要作用；地理信息系统应用于规划管理，提高办事效率，而且利用矢量数据（DLG）与栅格数据（DOM）相结合，使GIS的信息表达更加丰富，形象生动，而且为系统交通、管线、通信、银行、土地等部门。
2.2实习基地参观实习
在此次实习中，还安排有两次去位于光谷的湖北省测绘局参观体验的活动。第一次是在老师的带领下乘坐校巴到达测绘局。全班分为两组，我们组主要参观了位于17层的精测室，通过测绘局工作人员的讲解，进一步了解测绘工作中4D产品的生产。在工作人员与老师的讲授与示范下，同学们学习了绘制房屋、道路、陡坎等地物以及等高线的方法，如房屋需要提取四个顶点而非底部角点，但是塔状建筑物则是需要提取地面角点。此外，老师还介绍了一些绘图工具与功能，如直角化工具、捕捉功能等。在学习了绘图方法后，同学们在精测室内的电脑上轮流进行实际操作，体验了手轮与脚盘的使用方法。初次使用手轮和脚
盘测图，大家都感到新奇且需要一定时间适应。在实践学习绘制地物的过程中，必不可免会产生各种各样的问题，同学们都积极提出自己的疑问，与老师和单位员工交流在实际生产中遇到各类问题的解决办法。
第二次前往测绘局实习是以小组形式组织的，我们组分为两队，在两台电脑上用一上午的时间实地操作体验绘制房屋、道路、等高线等地物并由测绘局的员工老师进行检查与指正。由于资源和时间有限，我们小队采取了每人绘制十分钟，轮流一遍后换一种地物对象进行采集的方法安排操作流程。在地物采集过程中，大家有问题相互讨论，并向旁边的员工姐姐咨询，最终得到比较满意的成果，较大程度的在一上午时间中实践与熟练地物采集的方法技术。
通过这两次前往测绘局实地体会4D产品生产流程的实习，我对摄影测量的内业生产有了更深的理解。就如同测绘局里的员工姐姐介绍说她画了九年的等高线一样，内业生产处理需要细致与耐心，并且与作业人员的经验熟练程度十分相关，仅通过两次短短的实践操作是远远不能达到专业及格标准的。在实践过程中更是暴露出我平时疏于实践，动手能力不高的缺点，需要在接下来的学习中多加重视。这两次实地生产实习使我意识到，在离毕业仅有一年之际，我们更应当找准自己的定位，确定自己将来的就职方向，并从现在开始储备知识，提升能力，积极将所学投入实践，锻炼专业技能，培养专业素养。
2.3 4D产品生产
2.3.1 Hammer测区
1．技术设计：
1）测区与资料分析
测区分析：Hammer测区中上下方两侧的地形较为平坦，分布着厂矿用房与居民地，植被覆盖程度较好。而在测区中部多为裸露的山地地貌，植被较少，并存在许多盘山公路。
资料分析：航高为3000米，有2条航带，每条航带3张航片，总共6张航片。摄影主距152.72mm，x0=-0.004，y0=-0.008，摄影比例尺为1：5000，扫描影像像素大小为0.0445mm。
2）对用户所要求的产品分析
（1）DEM透视图图片一幅（拼接后），要求精度：DEM内定向中误差小于0.005mm；相对定向每点残差小于0.020mm ，中误差小于0.010mm；绝对定向每点平面及高程残差小于0.3m，平面及高程中误差小于0.3m；匹配窗口及间隔为9；DEM格网间隔为10m；正射影像分辨率 0.5mm；等高线间隔 5m；DEM模型拼接中误差小于2.0m，大于三倍中误差的点不超过百分之一。
（2）DOM图片一幅（拼接后），比例尺为1：5000，要求模型的接边处影象无或有较小幅度变形及扭曲等错误。
（3）TIN编辑结果（在AuyoCAD中打开的透视图），选取任意模型，TIN覆盖面积应为模型面积一半以上。
3）技术路线
生产方法：全数字摄影测量工作站生产
采用的硬件设备及软件程序：VirtuoZo
4）依照的技术规范与标准
（1）内定向精度:中误差0.005mm
（2）相对定向精度:每点残差0.020mm ; 中误差0.010mm
（3）绝对定向精度:每点平面及高程残差0.3m; 平面及高程中误差0.3m
（4）匹配窗口及间隔为9
（5）DEM格网间隔为10m
（6）正射影像分辨率0.5mm
（7）等高线间隔5m
（8）模型拼接精度:中误差小于2.0m; 大于三倍中误差的点不超过百分之一
（9）成图比例尺1:5000
5）生产流程框图
图1：Hammer测区生产流程图
2．实施过程
1) 生产单模型DEM、DOM
（1）新建测区，设置相机参数与外控点。
（2）引入影像。实习数据中有两条航线，六张影像，可建四个模型。由于两条航线的飞行方向相反，在引入影像时需要对第二条航线上的影像设置相机旋转。
（3）建立模型并进行内定向。在实习中根据像片左右像关系分别建立了156-155、157-156、164-165、165-166四个模型。
对每个模型进行内定向，建立框标模版并显示左影像框标自动定位情况与相应的内定向精度。如果定向精度不足，可以人工调整小十字丝使之精确对准框标中心，直到精度达到生产要求，然后用同样的方法进行右影像的内定向。
（4）模型定向。内定向完成后可点击进入模型定向界面，右键选择自动相对定向。因为在VirtuoZo中相对定向是自动进行的，所以一般精度都能够达到要求。若有误差过大的点，可进行删除或微调。
在相对定向界面中，按控制点的真实地面位置，在影像上采用半自动量测方法逐个量测。在量测三个控制点后（三个控制点不能位于一条线上），系统将自动预测其余控制点，显示蓝色小圈，以表示待测控制点的近视位置。然后继续量测蓝圈所示的待测控制点。
控制点量测完后，开始绝对定向。随即在定向结果窗中显示绝对定向的中误差及每个控制点的定向误差。另弹出控制点微调窗，窗中显示当前控制点的坐标，且设置了立体下的微调按钮。通过微调调整控制点位置，使控制点位置准确，并使定向精度达到要求。
（5）生成核线影像。在模型定向界面中首先设置影像全局显示，然后自定义最大核线范围区，生成核线影像。
（6）自动批处理。在四个模型均完成内定向、相对定向与绝对定向后，可采用批处理方式直接生成单模型的DEM与DOM。但在批处理完成后就不能再进行生成单模型DEM，DOM的操作，否则会覆盖原来的成果，所做的匹配结果编辑工作将完全丢失。
2）DEM拼接
（1）匹配结果编辑并生成DEM。在立体模式下，分别对四个模型中观测到的匹配程度较差或不可靠的匹配点进行人工干预，主要通过对等高线的平滑、内插、拟合、置平、区域向上或向下以及断面编辑等操作来使所有等高线贴合在地面上，消除明显错误的等高线（如平滑道路面上的等高线坑）以及房屋上的等高线。等高线编辑完毕后保存退出，选择匹配点生成DEM。
（2）拼接精度检查。计算DEM拼接精度，若拼接精度达到要求则进行DEM拼接，否则观察大于三倍中误差的点出现的位置并返回匹配结果编辑，在相应位置进一步修正等高线。实习中拼接后DEM透视图图片如下图2所示。
图2：Hammer测区拼接后DEM图
3）DOM拼接与影像地图制作
（1）DOM拼接
根据DEM拼接结果，设置拼接原始影像、相机参数与正射影像影像分辨率后，选择进入正射影像拼接界面，调整拼接线直至拼接线不经过房屋且两侧影像均清晰，生成正射影像。在实习中正射影像拼接结果如下图3所示。
图3：Hammer测区拼接后正射影像图
在实习中，还尝试了一种自动拼接生成DOM的方法。自动方法与拼接线方法生成的DOM分别如下图4、图5所示。对比可知，自动拼接方法对拼接图像进行了匀光处理，因而拼接成果较为美观，但局部地区会产生模糊，如拼接影像中部的大坑区域明显没有拼接线方法得到的DOM影像清晰。拼接线方法得到的DOM影像清晰度好，但存在较为明显的拼接线，需要在后期利用PS等方法进行处理。
图4：自动拼接方法 图5：拼接线方法 （2）影像地图制作
进入影像地图制作界面，在拼接好的DOM 中选择适宜大小区域，添加图名、图号、所在区域与生产单位并以JPG 形式输出，结果如下图6所示。
图6：Hammer 测区影像地图
4）TIN编辑
在实习中选择157-156模型，进入TIN编辑界面，可采用点、折线或流线的方式提取高程点或绘制等高线，产生的TIN编辑结果如下图7所示。
图7：TIN编辑成果
主要问题与解决方法：
（1）在输入框标参数时，需要注意点号的输入顺序。在航摄像机检校参数中给出的框标点位顺序如图8所示，而在VirtuoZo设置界面中点位顺序如图9所示。在输入时需要将图8顺时针旋转90°后对应图9位置的点号坐标作为图9中该位置的框标点坐标，可根据框标点坐标值的正负情况来判断输入的正确与否。
图8：像机检校参数框标点顺序图9：VirtuoZo界面框标点顺序
（2）内定向精度问题。在实习初期由于定位十字丝的中误差达不到内定向精度0.005mm的要求，内定向的部分耗费了较长的时间，往往是反复调节但误差越调越大。在同学间相互讨论帮助下，发现首先应将内
定向参数处的DX、DY数值调整至精度范围内，然后再逐点进行调整，则一个框标点精度满足要求时，所有点均能够达到精度要求。在对点进行调整时，亦可通过调整该点对角线上的点来实现点的调节，能够较快的完成内定向。
（3）等高线编辑问题。在匹配结果编辑的过程中，需要消除明显错误的和房屋上的等高线，并调整与地面贴合较差的等高线。在编辑初期，我对等高线的编辑调整感到无从下手，没有条理的编辑等高线导致拼接精度不降反增。在老师的提示下，先将等高线间距调大一点，从密集度降低的等高线中更易找出等高线偏离地面的位置，再逐点进行改正，能够更有效的对匹配点进行调整。
（4）DEM编辑方法。通过观察拼接精度图中红色区域的分布可知，大于三倍中误差的点主要分布在四个模型重叠部分的一个大坑区域，此处的等高线有明显的变形，使用匹配结果编辑的方法效果不是很理想。在此处老师有讲授了DEM编辑的方法，通过绘制特怔线重新生成四个模型中大坑区域的等高线，使得拼接精度有了大幅提高。
（5）DOM拼接线问题。在DOM拼接中，应调整拼接线至两侧的影像都较为清晰，且拼接线应当绕过房屋、高山等易造成形变的地方。在拼接完成后，对拼接后的DOM进行编辑，检查是否有变形与模糊的区域。若有则可选中该区域，从六幅原始拼接影像中选择相同区域较为清晰的进行替换，并可在Photoshop 中调节亮度差。
DEM的三种生成方法比较：
（ 1）利用核线影像生产DEM
根据影像匹配的视差数据、定向元素以及用于建立DEM的参数等，将匹配后的视差格网投影于地面坐标系，生成不规则的格网，然后进行插值等计算处理，建立规则（矩形）格网的数字高程模型。
（2）利用已有矢量文件生成DEM
根据已经有的数字线划图（DLG）中具有高程信息的地物层，例如首曲线、计曲线、一般高程点，插值计算建立DEM。
（3）三角网（TIN）内插生成DEM
通过人工双目立体构建三角网（TIN），主要是用特征线和特征点描绘地表模型，最后用构建好的三角网生成三角高程模型。
3．质量分析
1）质量控制方法
（1）保证相机参数与外控点设置正确；
（2）正确引入影像，旋转第二条航带的像片，设置像素大小为0.0445mm；
（3）文件命名的规范和统一，控制点的点号需与图中标记点号相一致；
（4）格网间距、分辨率、比例尺等参数内容需与要求一致；
（5）保证每一步骤精度达到要求后再进行下一步。
2）产品质量评定
定向精度
模型 内定向精度（mm ） 相对定向精度(mm) 绝对定向精度(m)
156-155
L: Mx=0.001 My=0.001 R: Mx=0.001 My=0.001
单点最大：0.011000 Mq= 0.006000 mx=0.055205 my=0.068699 mxy=0.088132
mz=0.025661 157-156 L: Mx=0.001 My=0.001 R: Mx=0.001 My=0.001
单点最大：-0.011000 Mq= 0.006000 mx=0.074312 my=0.080432 mxy=0.109506 mz=0.059648 164-165 L: Mx=0.001 My=0.001 R: Mx=0.001 My=0.001
单点最大：0.010000 Mq= 0.006000 mx=0.055397 my=0.074361 mxy=0.092728 mz=0.081393 165-166 L: Mx=0.001 My=0.001 R: Mx=0.001 My=0.001
单点最大：0.011000 Mq= -0.010000
mx=0.077172 my=0.052619 mxy=0.093403 mz=0.040275
表1：Hammer 测区定向精度 DEM 精度
图10：Hammer 测区DEM 控制点检查报告 拼接精度
DOM精度
图12：Hammer测区DOM控制点检查报告
3）质量分析
（1）内定向：中误差均小于0.005mm，精度满足要求；
（2）相对定向：每点残差均小于0.020mm，中误差均小于0.010mm，精度满足要求；
（3）绝对定向：每点平面及高程残差均小于0.3m，平面及高程中误差小于0.3m，精度满足要求；
（4）DEM拼接精度：中误差1.544780m < 2m，中误差差限设为2m时，大于三倍中误差的点占总数的1.17% > 1%，观察精度图可知是由于四个模型重叠的大坑区域的等高线编辑仍未十分正确导致的；
（5）DEM控制点检查：均方根误差为0.255m < 0.3m，精度满足要求。
2.3.2 Color测区
1．技术设计
1）测区与资料分析
测区分析： Color测区中有几座台形的山坡，上部为丘陵地带，为灌木所覆盖；中间有一条河流横穿整个测区，另分布有大量水稻田；下部为大片半荒地，植被稀少。
资料分析：航高为3000米，摄影主距152.72mm，扫描影像像素大小为0.060mm，摄影比例尺为1：5000，共两张航片，一个模型，航片的清晰度较好。
2）对用户所要求的产品分析
（1）DEM透视图图片一幅：DEM内定向中误差小于0.005mm；相对定向每点残差小于0.020mm ，中误差小于0.010mm；绝对定向每点平面及高程残差小于0.3m，平面及高程中误差小于0.3m。
（2）DOM图片一幅，比例尺为1：5000。
3）技术路线
生产方法：全数字摄影测量工作站生产
采用的硬件设备及软件程序：VirtuoZo
4）依照的技术规范与标准
同hammer测区。
5）生产流程框图
Color测区数据与Hammer测区数据处理流程的区别在于Color数据只有一个模型，不需要进行DEM 与DOM的拼接。
图13：Color测区生产流程图
2.实施过程
根据流程图可知，Color数据与Hammer数据的处理流程基本一致，只是Color数据只存在一个模型，不需要进行DEM与DOM拼接操作。
图14：Color测区DEM图
图15：Color测区正射影像图
图16：Color测区影像地图3.质量分析
1）质量控制方法
同hammer测区。
2）产品精度评定
模型内定向精度（mm）相对定向精度（mm）绝对定向精度（m）
lr L：Mx=0.000 My=0.000 R：Mx=0.001 My=0.000 单点最大：-0.383000
Mq = 0.031000
mx= 0.858759 my=0.970930
mxy=1.296215 mz=0.857724
表2：Color测区定向精度
3）质量分析
Color数据并未有具体的精度评定规范。
2.3.3 广东测区和咸宁测区DLG生产
1．技术设计
1）测区与资料分析
测区分析：广东测区上半部地形较为平坦，主要是居民地与道路，四周为山林地带，下半部分布大片山林，上部有一湖，下部水库下游分布大片水稻田。咸宁测区较为平坦，有较多房屋，分布有田地和陡坎，右下有大片山林与几个池塘。
资料分析：广东测区只有两张像片，一个模型。咸宁测区的DLG生产涉及三个模型，六张像片。2）对用户所要求的产品分析
要求产品是广东测区和咸宁测区的全要素DLG各一幅。
3）技术路线
生产方法：全数字摄影测量工作站生产
采用的硬件设备及软件程序：VirtuoZo
4）依照的技术规范与标准。
同hammer测区。
5）生产流程框图
图17：DLG生产流程图
2）实施过程
在测图程序中，新建xyz文件，装载立体模型并设置模型边界，然后可选择地物符号与适宜的线型或辅助测图功能，对地物进行采集。广东测区与咸宁测区DLG采集成果分别如下图18、图19所示。
图18：广东测区DLG图
图19：咸宁测区DLG
主要问题与解决方法：
1）房屋咬合问题。在采集房屋时，对相邻或高低有变化的房屋要使用咬合工具。在广东测区的DLG采集中，我将房屋高低有变化的部分都分成单独房屋来画且并未咬合，但由于时间有限并未进行修正。
2）等高线绘制问题。在绘制等高线过程中，我先是按照调绘片上的等高线走向进行绘制，然而调绘片与实际立体模式存在一定差别，这样画出的等高线并不准确。我又采取了先根据调绘片绘制等高线基本形状线条，再参照基本形状，贴合地面重新绘制等高线，这样得到的等高线精度较好，但太过耗时。随着不断熟练，我渐渐能够一次性绘制精度满意的等高线。
3．质量分析
1）质量控制方法
（1）保证相机参数与外控点设置正确；
（2）文件命名的规范和统一，分辨率、比例尺等参数内容需与要求一致；
（3）保证每一步骤精度达到要求后再进行下一步；
（4）分类提取地物，确保地物属性正确，及时检查是否有遗漏或重复；2）产品质量评定
由测绘局工作人员检查DLG采集精度。
综合评语：
平时成绩所占比例20 %报告成绩所占比例30 %考核成绩所占比例50 %总评成绩
指导教师：
年月日