無人機在貴州山區(qū)大比例尺地形圖測量中的應用研究

楊宇青

摘 要：無人機航攝系統(tǒng)具備受天氣條件和地面狀況影響較小，作業(yè)方式靈活快速，不需要申請空域、攜帶方便、轉(zhuǎn)場快等優(yōu)點。隨著低空無人機攝影測量技術(shù)的發(fā)展和完善，大量試驗己經(jīng)表明無人機測繪地形圖的精度可以滿足1：2000地形圖的要求，本文結(jié)合貴州某村的測量項目，詳細探討了無人機大比例尺地形圖的測量流程，包括航空攝影、像片控制、影像預處理、空中三角測量、DEM/DOM制作、地形圖制作及無人機航攝影像成圖精度分析等。相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：無人機 大比例尺 地形圖 測量技術(shù) DEM

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

無人機航攝系統(tǒng)具有以下特點，第一，受天氣條件和地面狀況影響較小，作業(yè)方式靈活快速；第二，無人機平臺自身構(gòu)建及其搭載的航攝設(shè)備維護成本低；第三，因無人機飛行高度低，所以能夠獲取高分辨率影像，在小范圍信息獲取方面有很大的優(yōu)勢；第四，可根據(jù)具體要求設(shè)置影像重疊度，大重疊度的影像能夠增強后續(xù)處理的可靠性。第五，不需要申請空域、攜帶方便、轉(zhuǎn)場快等優(yōu)點。目前，小型無人機對地觀測系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點課題，并在實際應用過程中不斷提升無人機對地觀測系統(tǒng)的性能。

下面以貴州某村為例，具體說明無人機航測繪制1：2000地形圖的過程。項目采用“1980西安坐標系”和“1985國家高程基準”。木測區(qū)作業(yè)工序為無人機航攝、地形測量（包括四等控制測量、I級控制測量、像控測量、圖根測量、野外補測、外業(yè)調(diào)繪）、空三加密、地形圖制作（包括立體采集、數(shù)據(jù)編輯工序（1： 2000比例尺一套））、DOM制作、DEM制作、質(zhì)檢驗收等工序。

1航空攝影

該村采取東西向飛行，平均航攝比例尺為1：23533，平均地面高度為1350米，其相對航高為650米。平均地面分辨率0.13米，滿足1： 2000成圖要求。本次外業(yè)攝影時間為2012年6月5 日。

2像片控制

2.1 影像資料分析

航線間隔及旁向重疊度在30%-40%之間，航向重疊度在65%-75%之間。全攝區(qū)無航攝漏洞，航向超出攝區(qū)范圍三至六條基線。像片傾斜角<4°，旋偏角<8°，航線彎曲度<3%。無人機航攝系統(tǒng)的飛行質(zhì)量符合標準要求。同航線高差小于30米，實際與設(shè)計航向小于30米。實際航線偏離設(shè)計航線不大于像片上10cm。像片位移誤差小于30米。航攝影像清晰、無云影等遮擋，色彩均勻，滿足設(shè)計要求。

2.2 像控點布設(shè)及刺點

2.2.1 像控點布設(shè)

像控點布設(shè)：像控點在航線方向上按10-15條基線布設(shè)，在旁向上按2-4條基線布設(shè)。布設(shè)的像控點能夠有效控制住成圖范圍，保證測段銜接區(qū)域內(nèi)沒有漏洞。像控點應刺在航向及旁向重疊有5-6張像片的區(qū)域內(nèi)。像控點編號原則：測段像控點編號原則“GP十航片號四位+點序號”。像控點布設(shè)完成后繪制布點示意圖供內(nèi)業(yè)加密和存檔。滿足空三加密及數(shù)字化采集要求。該村項目區(qū)像控網(wǎng)如圖1所示：

2.2.2 像控點的刺點及整飾情況

刺點誤差和刺孔的直經(jīng)均小于像片上0.1mm，且刺透，無雙孔。點位說明確切，略圖完整明了，刺孔、略圖、說明與實地柱位一致。在像片正面上用紅色直經(jīng)為7mm的圓形整飾像控點，并注記點號。在像片的背面用鉛筆繪制點位略圖和標注文字說明等。

2.3 像控點測量

像控點坐標可以使用全站儀、RTK等常規(guī)儀器進行測繪。像控點的精度和施測要求參照常規(guī)航測外業(yè)規(guī)范執(zhí)行。木次像控點測量采用雙頻GPS接收機，已知控制點為加密的一級GPS控制點。為保證像控點測量成果的可靠性，在全部像控點測量完畢后再收參考站。施測現(xiàn)場對點位進行拍照并制作成點位信息表供內(nèi)業(yè)加密使用。將檢查合格后的像控點數(shù)據(jù)進行處理，基線處理采用Compass靜態(tài)處理專業(yè)版軟件，得到該村片區(qū)像控成果。

2.4 該像控網(wǎng)精度

該村片區(qū)像控網(wǎng)①精度統(tǒng)計：

（1）線向量檢核，同步環(huán)、異步環(huán)驗算：

共驗算同步環(huán)15個，其中環(huán)線全長相對閉合差最大為：6.52ppm，限差為：15.0ppm。

共驗算異步環(huán)9個，其中坐標分量閉合差最大為：Wx = 4.46cm，Wy = 6.46cm，Wz = 6.36cm，限差為： =±21.06cm。

（2）三維無約束平差：

三維無約束平差最弱邊相對精度為：1/15267，邊名：2174-2173 （邊長267 m）。

（3）二維約束平差

約束平差最弱邊相對精度為：1/17725，邊名：2174-2173 （邊長267 m）。最弱點為2259，點位中誤差±2.03cm，限差為：±20.0cm。

該村片區(qū)像控網(wǎng)②精度統(tǒng)計：

（1）基線向量檢核，同步環(huán)、異步環(huán)驗算：

共驗算同步環(huán)14個，其中環(huán)線全長相對閉合差最大為：4.48ppm，限差為：15.0ppm.

共驗算異步環(huán)14個，坐標分量閉合差最大為：Wx=-2.32cm，Wy=18.16cm，Wz=-12.55cm，限差為： =±21.06cm。

（2）三維無約束平差：

三維無約束平差最弱邊相對精度為：1/14131，邊名：2127-G04（邊長545 m）。

（3）二維約束平差

約束平差最弱邊相對精度為：1/34023，邊名：2174-G04 （邊長545 m）。最弱點為1187，點位中誤差±4.19cm，限差為：±20.0cm。

從上述精度統(tǒng)計情況可以看出，該村片區(qū)像控網(wǎng)精度指標滿足技術(shù)要求。

3 影像預處理

無人機航攝系統(tǒng)搭載非量測數(shù)碼相機進行航拍，然而相機自身的性能對測量精度影響較大。未經(jīng)過處理的航攝影像畸變差較大，無法直接用于空三測量等后續(xù)處理工作。所以，在影像進行空三加密前，需要先對其進行畸變差改正。在沒有室內(nèi)和室外高精度檢校場的情況下，通常是根據(jù)非量測數(shù)碼相機提供的鑒定報告，利用DPGrid系統(tǒng)內(nèi)的小像幅影像畸變差校正模塊對影像進行畸變差改正。

4空中三角測量

4.1 空三加密經(jīng)過像點連接、像控點量測、平差計算過程

1）量測外控點時，先量測測區(qū)四周的像控點6個以后進行平差，其它像控點就可以通過預測的功能來找到大概位置達到快速量測旳目的。外控點的量測由專業(yè)人員進行，并由另外一位專業(yè)人員檢查。2）應用外業(yè)工序提供基礎(chǔ)控制點參與計算，提升空三加密的整體精度；應用外業(yè)工序提供的實測高程點檢測空三加密精度。3）量測完后進行最終的平差解算，首先將物方標準方差權(quán)放大，進行粗差的消除，然后逐步提高物方權(quán)重，確保粗差被全部探測出，最后給合適的權(quán)值強制平差。

DPGrid系統(tǒng)中的空三模塊為全自動空三軟件。系統(tǒng)根據(jù)建好的航線列表進行全測區(qū)自動匹配，接下來通過自動挑點程序?qū)⒋植畲?、多余的像點剔除。然后，進行連接點的交互編輯，根據(jù)刺好的控制點進行光束法平差解算，直到加密完成，輸出空中結(jié)果（圖2）。

4.2 區(qū)域網(wǎng)空中三角測量

根據(jù)連接點（加密點）的影像坐標以和少量地面控制點的影像坐標及其物方空間坐標，通過平差計算，求解影像的外方位元素和連接點的物方空間坐標，稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。空三測量提供的平差結(jié)果是影像后續(xù)處理與應用的基礎(chǔ)。

5 DEM、DOM 制作

5.1 DEM制作

首先，根據(jù)空三加密成果，對無人機航攝的原始影像進行重釆樣生成核線影像。其次，系統(tǒng)自動匹配三維離散點，得到攝區(qū)的DSM。最后，經(jīng)過自動濾波便可得到DEM。雖然DPGrid系統(tǒng)實現(xiàn)了自動匹配，但是由于現(xiàn)實地物的復雜性（如水體、樹木、陰影）以及人工地物的影響，所以實際生產(chǎn)中為了提高DEM的精度，需要對DEM進行人工編輯。因為DEM是原始航片進行糾正的基礎(chǔ)，只有準確的DEM才能保證DOM的精度。

5.2 DOM制作

DPGrid系統(tǒng)全自動生成DOM主要包括：DEM數(shù)據(jù)處理、影像勻光勻色處理、DOM糾正處理、色調(diào)均衡處理以及DOM鑲嵌處理。系統(tǒng)生成的初步DOM結(jié)果，還要經(jīng)過人工編輯，對初始DOM成果進行顏色和幾何處理，才能真正滿足對DOM成果的要求。

6 1：2000地形圖制作

配合DEM將DOM進行校正，然后在拼接生成完整的區(qū)域地圖。最后，將區(qū)域整體導入到VirtuoZo NT軟件中進行測圖，生成最終的地形圖（圖3）。

根據(jù)航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范及地形圖圖式進行地物、地貌要素的采集。外業(yè)調(diào)繪人員利用已有的圖紙和測圖數(shù)據(jù)，進行實地調(diào)繪、修測、補測等工作。

7無人機航攝影像成圖精度分析

采用GPS快速靜態(tài)方式獲取該攝區(qū)外業(yè)檢查點的坐標數(shù)據(jù)。該樹片區(qū)抽查了 4幅圖（占本片區(qū)圖幅數(shù)的10%），共83個檢査點。對比這些外業(yè)檢查點的實測坐標與圖上坐標，計算出兩組坐標的及高程差值。根據(jù)點位中誤差公式計算出每個檢查點的平面中誤差。具體計算結(jié)果如下。經(jīng)過整理計算，該村片區(qū)地物點平面點位中誤差為0.72m；高程中誤差為0.69m。根據(jù)點位中誤差計算結(jié)果繪制點位誤差分布圖。點位誤差分布圖更直觀的反映了每個檢查點的誤差分布情況?？梢钥闯鼋^大多數(shù)點位誤差分布在0-0.8m之間，其平面精度滿足1：2000地形圖的要求。此外，我們將影像數(shù)據(jù)制作的地形圖與已有的1：2000地形圖數(shù)據(jù)在CASS中進行套合比較。

8小結(jié)

論文分析了無人機航攝系統(tǒng)的特點，介紹了無人機低空航攝規(guī)范。詳細描述了無人機航測系統(tǒng)測繪1：2000地形圖的具體工作流程，并對最終生成的地形圖進行了精度評定，基本滿足1：2000地形圖的精度要求。

參考文獻

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