無人機航攝系統(tǒng)在1∶1 000 地形圖測繪中的應(yīng)用*

崔書珍，周金國

(1．重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260;2．國家測繪地理信息局重慶測繪院，重慶 400015)

0 引言

無人機航攝系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)的有益補充，日益成為獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段，其具有機動靈活、高效快速、作業(yè)成本低的特點，已在困難地區(qū)大比例尺地形圖測繪、應(yīng)急救災(zāi)和土地執(zhí)法監(jiān)察等領(lǐng)域開展應(yīng)用［1］。近年來，無人機航攝系統(tǒng)在1∶2 000 及更小比例尺地形圖測繪應(yīng)用中已較廣泛，但仍有不足之處，其在更大比例地形圖測繪特別是1∶1 000地形圖測繪方面還有許多有待完善的地方，本文將通過實例闡述無人機航攝系統(tǒng)在1∶1 000地形圖測繪應(yīng)用情況及相關(guān)注意事項，為無人機航攝系統(tǒng)在1∶1 000地形圖測繪提供生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。

1 無人機航攝系統(tǒng)的構(gòu)成及生產(chǎn)流程

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成

無人機航攝系統(tǒng)是以固定翼無人飛機或無人駕駛直升飛機為飛行平臺，具備自動巡航功能并能夠搭載傳感器系統(tǒng)，可獲取滿足測繪行業(yè)應(yīng)用要求的航片并能進行后續(xù)3D 產(chǎn)品生產(chǎn)的綜合數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)［2］。其主要由飛行系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、地面操控與監(jiān)控系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。無人機拍攝系統(tǒng)的組成，如圖1 所示。

1．2 生產(chǎn)工藝流程

無人機航攝1∶1 000地形圖測繪采用“外→內(nèi)→外→內(nèi)”的方式作業(yè):第一步，在無人機航空攝影完成后，在外業(yè)進行像片控制測量;第二步，內(nèi)業(yè)依據(jù)控制測量成果及相應(yīng)航攝資料進行空三加密、立體測圖和外業(yè)調(diào)繪片的制作;第三步，外業(yè)依據(jù)內(nèi)業(yè)測繪成果完成外業(yè)補測、調(diào)繪;最后，根據(jù)外業(yè)補測調(diào)繪完成最終成果的編輯，成果整理提交等。利用無人機航攝繪制1∶1 000地形圖的作業(yè)流程，見圖2。

2 應(yīng)用實例

以重慶市豐都縣長江沿岸某測區(qū)為例，該測區(qū)地勢總體北西高南東低，沿長江向北西逐漸抬高，最高標高為393．5 m，最低標高在長江岸邊水涯線，標高約148．0 m。地形測量面積約9 km2，航攝面積15 km2。作業(yè)區(qū)植被主要以灌木和旱地為主。

2．1 外業(yè)航攝與控制測量

此次航攝采用CKGY 型無人機雙相機系統(tǒng)，飛行平臺為固定翼單發(fā)射型無人機。該無人機雙相機系統(tǒng)采用經(jīng)精密檢校的Canon 5D mark Ⅱ雙拼相機，有效巡航時間大于1．5 h，能夠彈射起飛、傘降回收，有效地擴大了無人機的使用范圍。

根據(jù)測區(qū)最小外矩形的四角坐標進行航線設(shè)計，根據(jù)攝區(qū)的走向確定航線走向，依據(jù)相機的像幅和焦距確定航攝的相對高度、航線間隔和基線長度，從而確定航線數(shù)、曝光點數(shù)、航線長度等航攝參數(shù)。航攝技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

圖1 無人機航攝系統(tǒng)的構(gòu)成Fig．1 Composition of UAV aerial photographic system

圖2 無人機航攝地形圖測繪生產(chǎn)工藝流程Fig．2 The production process of topographic map with UAV aerial photogrammetry

表1 航攝技術(shù)參數(shù)表Tab．1 Aerial photogrammetry parameters

當攝區(qū)最小地面分辨率達不到成圖要求時，或者當攝區(qū)最高點重疊度小于成圖要求時，必須更改地面分辨率，并對相對航高、最低點地面分辨率、最高點重疊重新計算，直到滿足要求為止。

在作業(yè)區(qū)首先采用GPS 靜態(tài)測量布設(shè)四等平面控制網(wǎng)點17 個，在平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上實測電磁波測距三角高程導(dǎo)線附合路線、閉合環(huán)線或三角高程網(wǎng)，代替幾何水準，特別困難地區(qū)采用GPS 高程。像片控制點刺點方式為電子刺點，并用電子文檔對所刺點位情況進行說明，外業(yè)實測采用GPS - RTK 方式進行。

2．2 立體測圖與調(diào)繪補測

內(nèi)業(yè)空三加密和數(shù)字線劃圖(DLG)立體測圖分別采用MAP-AT 和MapMtrix 全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)進行。

立體測圖采取“所見即所得”的方式，利用空三加密成果恢復(fù)立體模型，進行全要素采集。立體模型采集范圍按像主點就近原則，一般核線范圍以控制點范圍為準。當模型上存在云影、大面積陰影等情況時，利用鄰近模型進行補救。點狀要素采集要素的定位點。線、面狀要素采集點密度以線、面狀要素幾何形狀不失真為原則，采點密度隨著曲率的增大而增加，曲線不得有明顯的變形、折線，平直的地方采點間隔可適當放大。線狀要素被其它符號、注記隔斷時，如水系遇橋梁，不間斷連續(xù)采集。公共邊不重復(fù)采集。測圖數(shù)據(jù)間嚴格接邊。地物測繪采用立體判讀法。等高線原則上實測，連續(xù)、光滑協(xié)調(diào)，反映地貌特點。在樹林、密灌覆蓋區(qū)，采取縮小看、放大畫的方式進行測繪。

利用內(nèi)業(yè)采集的線劃圖套合影像圖進行外業(yè)調(diào)繪和補測。由于無人機航片像幅較小，攝區(qū)內(nèi)的高差較大，且攝區(qū)內(nèi)房屋屬于傳統(tǒng)式寬屋檐結(jié)構(gòu)，需要做大量的投影差改正和屋檐寬度改正，外業(yè)相關(guān)工作量較大。具體情況如下:

1)低于糾正起始面的物體，投影差值大于圖上0．2 mm時，應(yīng)進行投影差改正;

2)圖上房屋輪廓線應(yīng)以墻基為準，當屋檐寬度大于圖上0．2 mm時應(yīng)加屋檐寬度改正。

經(jīng)過內(nèi)業(yè)測圖與外業(yè)調(diào)繪和補測后制作的正射影像圖(DOM)與相應(yīng)DLG，如圖3 所示。

圖3 測區(qū)DOM 與相應(yīng)DLG 圖Fig．3 DOM and its corresponding DLG in survey area

2．3 精度分析

成果檢查采用相同精度的GPS -RTK 和全站儀進行抽查，檢查點主要分布在電桿、房角、道路交叉處、田坎交叉處等，分布廣，數(shù)量多，具有代表性。

共檢測平面位置點216 個，中誤差為0．68 m，最大誤差為2．7 m。其中，小于等于1 倍中誤差的點有159 個，占檢測點數(shù)的74%;大于1 倍中誤差小于2 倍中誤差的點有48 個，占檢測點數(shù)的22%;大于2 倍中誤差的點有9 個，占檢測點數(shù)的4%。其誤差分布區(qū)間，見圖4。

圖4 平面誤差分布區(qū)間Fig．4 Distribution of plane errors

共檢測高程點132 個，中誤差為0．84 m，最大誤差為2．4 m。其中，小于等于1 倍中誤差的點有132 個，占檢測點數(shù)的73%;大于1 倍中誤差小于2 倍中誤差的點有40 個，占檢測點數(shù)的22%;大于2 倍中誤差的點有10 個，占檢測點數(shù)的5%。其誤差分布區(qū)間，見圖5。

通過以上檢測分析看出，平面和高程精度均滿足規(guī)范對1∶1 000地形圖成圖要求。

3 結(jié)束語

經(jīng)過驗證，筆者得出如下結(jié)論:基于無人機的1∶1 000航測成圖可以達到相關(guān)成圖規(guī)范要求，但需要依賴大量的外業(yè)修補與改正工作，影響成圖生產(chǎn)效率。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，小區(qū)域大比例尺地形圖的需求量巨大，特別在地災(zāi)搶險、國情監(jiān)測、工程選址等領(lǐng)域，成圖要求時間短、精度高，進一步提高大比例成圖效率將是無人機航測成圖研究重點之一。

圖5 高程誤差分布區(qū)間Fig．5 Distribution of elevation errors

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