小型無人機在大比例尺地形圖測繪中的應用

謝海燕

（上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海市200438）

小型無人機在大比例尺地形圖測繪中的應用

謝海燕

（上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海市200438）

近年來，隨著技術的進步，無人機航空攝影測量技術在測繪行業(yè)中的應用越來越廣。以小型無人機在大比例尺地形圖測繪中的應用研究為目的，結合生產實踐，進行了無人機航測實驗。通過對小型無人機測圖的流程及關鍵技術進行研究，并利用外業(yè)實測數據對航測精度進行評估，為小型無人機在在測繪領域的應用提供了參考。

無人機；攝影測量；大比例尺地形圖

0 引言

航空攝影測量方法是獲取較大范圍地理信息數據的主要測繪方法之一[1]。隨著技術進步，航空攝影測量已廣泛應用到大范圍地區(qū)中小比例地形圖測繪中。

相對于傳統的全站儀、G P S-R T K等全野外采集方式，航空攝影測量在成圖周期、數據采集效率、人力成本方面都有一定優(yōu)勢[2]。但是常規(guī)航空攝影測量往往受限于飛行高度、空管調度、起降條件等因素，無法滿足小范圍大比例尺地形圖測繪需求。近年來，隨著無人機技術的興起和發(fā)展，為大比例尺地形圖測繪提供了新的方向。本文依托于上海某場地測繪生產實踐，對小型無人機在大比例尺地形圖測繪中的應用進行深入研究。

1 小型無人機系統構造及特點

1.1 系統構造

小型無人機系統主要包括無人機飛行平臺，非量測型相機、穩(wěn)定平臺、飛行控制系統、地面站、遠程通信裝置及地形數據處理軟件等[3]。

1.2 系統特點

和傳統的航空攝影測量系統進行相比，無人機攝影測量系統具備多方面的顯著優(yōu)點[4]:

（1）方便、快捷。小型無人機受飛行場地限制小，飛行系統在升空上所花的準備時間短暫，操作非常簡便，作業(yè)方式靈活；且小型無人機不需要申請空域、攜帶方便。

（2）成本低廉。在平臺搭建、維護以及作業(yè)方面，成本均較為低廉。

（3）容易獲取信息。由于無人機系統飛行高度偏低，可以得到精度高的大比例尺影像，在小范圍信息獲取方面有著顯著優(yōu)勢。

（4）后續(xù)處理可靠性強?？筛鶕枨螳@取高重疊度的影像，增強成數據的后續(xù)處理能力[5]。

2 測區(qū)概況

本測區(qū)位于上海市浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn)大治河入?？谀蟼?，東樂路(海堤路)北側。場地由西側原楊園道橋有限公司(預制梁廠)及東側至涵口灘涂組成，南北長約1.8km，東西長約0.18km，面積約0.32km2。由于東側灘涂為潮間灘，測量人員進入十分困難，因此以小型無人機進行數據采集十分必要。

3 無人機數據采集與處理

本次測量以D J I P h a n to m 3P r o多旋翼無人機作為數據采集平臺。數據采集與處理作業(yè)流程見圖1。

3.1 控制點布測

小型無人機在飛行過程中飛行姿態(tài)并不穩(wěn)定，其記錄的P O S信息無法滿足大比例尺測圖需求[6]。為提高成圖精度，本次在測區(qū)均勻布設控制點13個?？刂泣c平面坐標采用采用基于上海市G N SS連續(xù)運行參考站S H-C O R S系統的G P S網絡R T K按三級點測量，控制點高程采用上海吳淞高程系統，采用經區(qū)域高程擬合校正的G P S網絡R T K進行測量。平面及高程精度均小于±2 c m。為了后期控制點識別，所有控制點均用寶馬標志樣式靶標進行鋪蓋。

圖1 無人機作業(yè)流程圖

3.2 影像數據采集

在進行影像采集前先使用D J I G O軟件接入無人機進行飛行前指南針校準、S D卡檢查、無線傳輸信號等準備工作，然后采用A lt i z u r e軟件進行航線設定。根據測區(qū)東西寬，南北窄的特點，將測區(qū)沿東西方向分為5個飛行區(qū)域，每個區(qū)域為一個飛行架次。本次飛行設定航向重疊度為85%，旁相重疊度80%，飛行高度70 m。

航線規(guī)劃好后采用控制系統放飛無人機，利用其自動飛行模塊沿設定好的航線進行影像數據采集，采集過程中通過地面遙控終端實時查看影像采集狀況。

3.3 影像數據預處理

飛行結束后將拍攝的像片導出，并根據找出有像控點的照片，每個像控點選擇6張照片，保證像控點盡可能在照片中部，減少照片畸變影響。將照片添加到攝影測量自動建模軟件，通過查看影像曝光點位置，刪除多余影像。將像控點數據添加到軟件中后，進行刺點工作，為保證后續(xù)處理精度，刺點時盡量選取靶標的中心位置。

3.4 影像數據處理

影像數據處理中的空三解算、點云加密過程皆通過專業(yè)攝影測量處理軟件自動完成，并自動生成D SM和DO M成果。其中控制點空三解算精度見表1。

表1 空三解算精度

可見解算精度均滿足1∶1 000航空攝影測量規(guī)范[7]。

DO M和D SM部分成果分別見圖2、圖3。

圖2 DOM

圖3 DSM

3.5 地形圖繪制

將DO M加載到A r c G I S中，分別建立房子、道路、水泥板、水池、坡、坎等等圖層，根據DO M進行分層矢量化。將野外采集的建筑物、道路等地物特征點展繪到A r c G I S中，與攝影測量矢量化的特征點進行對比，并對DO M矢量化的圖形進行糾正，得到更高精度的矢量化成果。地物地貌的高程數據采用通過D SM選取及現場測量高程點結合的方式在A r c G I S中生成。最后將所有矢量化成果轉換到C A D中，根據數字地形成圖要求進行地圖整飾，生成D W G格式最終成果。部分地形見圖4。

圖4 部分地形圖

4 精度分析

本次將現場G P S-R T K實測點與對應的影像成圖點進行對比，從平面和高程兩個方面分析和評估實驗精度。其中平面精度評定時為減少人為誤差，隨機采集了房角、水池角等定型地物的特征點作為對比數據。平面對比精度統計見表2。

表2 平面精度統計表

高程精度分析以現場實測高程點為基礎，利用D SM在實測點相同位置提取無人機測圖高程點，與實測點進行高程比較。高程精度統計信息見表3。

由表2和表3可知，無人機測圖與傳統方法采集數據相比，平面中誤差為0.180 m，高程中誤差為0.221m,而《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規(guī)范》中要求1∶1 000比例尺平面和高程中誤差分別為0.6 m和0.4 m，1∶500比例尺平面和高程中誤差分別為0.4m和0.4 m[8]。因此本實驗條件下滿足到1∶1 000測圖要求，無法達到1∶500測圖要求。

5 結語

本文將小型無人機應用與小范圍大比例尺地形圖測繪生產實踐，并通過傳統測量方法采集數據與無人機航測數據進行比較，分析無人機航測數據的可靠性及精度，為小型無人機在在測繪領域的應用提供了參考。實驗結果表明，在嚴格控制無人機航測像控點及飛行條件的情況下，可以基本滿足1∶1000大比例尺地形圖測圖需求。但是通過實驗我們也發(fā)現，小型無人機由于體積小、重量輕、在飛行過程中極易受外界環(huán)境影像而使飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，造成成果平面和高程數據變形嚴重而無法滿足生產需求。因此建議一方面要選擇合適的飛行條件進行野外數據采集，另一方面要結合傳統野外測量方法進行數據改正，以保證成果的精度。相信隨著技術的不斷進步和成熟，小型無人機在大比例尺地形圖測繪領域將具有廣闊的應用前景。

表3 高程精度統計表

[1]趙翔.基于無人機航攝DO M生成技術的研究與應用[D].上海:華東理工大學,2015.

[2]錢建彬,王申俊.eBee無人機在大比例尺成圖中的應用分析[J].現代測繪,2017,40(1):51-54.

[3]呂立蕾.無人機航攝技術在大比例尺測圖中的應用研究[J].測繪與空間地理信息,2016,39(2):116-122.

[4]陳曉珍,潘建明.利用無人機航空像片進行大比例尺測圖的探討[J].資源信息與工程,2016,31(3):122-123.

[5]曲喬新.無人機大比例尺地形圖測量技術研究[J].科技資訊, 2015(6):51-52.

[6]高志國,宋楊,曾凡洋.微型無人機航攝系統快速測繪小區(qū)域大比例尺地形圖實驗分析[J].工程勘察,2015(12):71-75,86.

[6]JTG D60－2004,公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[7]GB/T 23236－2009,數字航空攝影測量空中三角規(guī)范[S].

[8]GB/T 15967-2008,1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規(guī)范[S]

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B

1009-7716（2017）06-0274-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.081

2017-04-09

謝海燕（1983-），男，江西吉安人，工程師，從事測繪工作。