智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)1：1000地形圖測(cè)繪的實(shí)踐研究

徐奎

【摘 要】基于衛(wèi)星遙感及傳統(tǒng)航空遙感的地形測(cè)繪具有一定的局限性，為了滿足大比例尺1：1000的測(cè)繪需求，提升測(cè)繪精度和質(zhì)量，提倡使用智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的測(cè)繪作業(yè)。論文探討了智能無(wú)人機(jī)測(cè)繪的重要性及價(jià)值，并在明確無(wú)人機(jī)測(cè)繪的工作流程的前提下，分別針對(duì)平原及山區(qū)丘陵地區(qū)的無(wú)人機(jī)1：1000地形圖測(cè)繪進(jìn)行了實(shí)踐研究。

【Abstract】 As satellite remote sensing and traditional aerial remote sensing mapping all have certain limitations， in order to meet the demand of surveying and mapping of 1：1000 large scale， to enhance the accuracy and quality， we advocate the use of intelligent mapping UAV to achieve the automation and intelligence of surveying and mapping work. This paper discusses the importance and value of smart UAV mapping， and on the premise of UAV mapping workflow， respectively do the practice research of surveying and mapping of 1：1000 topomap by UAV in plain and hilly area.

【關(guān)鍵詞】智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)；1：1000地形圖測(cè)繪；航空攝影

【Keywords】intelligent surveying and mapping UAV； surveying and mapping of 1：1000 topomap； aerial photography

【中圖分類號(hào)】P231 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）11-0172-02

1 引言

隨著測(cè)繪需求效率的提升及覆蓋面的拓展，越來(lái)越多的現(xiàn)代化技術(shù)手段投入到地形測(cè)繪實(shí)踐中。傳統(tǒng)的地形測(cè)繪以人力為主要依托，測(cè)繪周期長(zhǎng)，成本高，對(duì)基于地形測(cè)繪的地理研究、城市規(guī)劃等工作的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了一定的難度。現(xiàn)階段智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)的實(shí)踐運(yùn)用，有效改善了這一問(wèn)題。

2 智能無(wú)人機(jī)測(cè)繪的重要性及價(jià)值

為了滿足多空間、多地理?xiàng)l件下的地圖測(cè)繪工作，相繼投入了衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)遙感等航空智能測(cè)繪技術(shù)。例如衛(wèi)星遙感是以人造衛(wèi)星為遙感平臺(tái)，通過(guò)遠(yuǎn)距離感測(cè)地球物體輻射、反射等光譜效應(yīng)，經(jīng)過(guò)信息校正、變換、分解等光學(xué)處理技術(shù)形成數(shù)字化圖形[1]。但是受空間和布點(diǎn)的限制，靈活性較低。智能無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的投入有效彌補(bǔ)了這一缺陷。以最少的人力支出，針對(duì)大飛機(jī)遙感無(wú)法深入的空間進(jìn)行地圖測(cè)繪。在智能無(wú)人機(jī)中集成了數(shù)碼照相技術(shù)、無(wú)線數(shù)字通訊技術(shù)以及智能自動(dòng)化控制技術(shù)的現(xiàn)代信息化技術(shù)，在促進(jìn)技術(shù)自我適應(yīng)、可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，促進(jìn)了現(xiàn)代化測(cè)繪工作的完善和發(fā)展，能夠?qū)y(cè)繪成果的質(zhì)量進(jìn)行良好提高。由于智能無(wú)人機(jī)地形圖測(cè)繪具有重要意義，所以我們就要對(duì)智能無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)繪進(jìn)行良好分析，從而保證智能無(wú)人機(jī)的良好應(yīng)用能夠滿足實(shí)際的測(cè)繪要求。

3 智能無(wú)人機(jī)測(cè)繪的基本工作流程

智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)與傳統(tǒng)大飛機(jī)遙感測(cè)繪同樣使用航空攝影技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)繪工作。因此智能無(wú)人機(jī)測(cè)繪的基本工作流程與傳統(tǒng)遙感攝影測(cè)繪保持一致。在進(jìn)行測(cè)繪工作前，需要針對(duì)測(cè)繪地區(qū)進(jìn)行基本的踏查和資料收集，確定作業(yè)區(qū)域，從而為設(shè)定無(wú)人機(jī)的測(cè)量范圍等參數(shù)提供基礎(chǔ)依據(jù)，避免因?yàn)橥獠孔鳂I(yè)條件問(wèn)題，影響測(cè)繪成果質(zhì)量。要求做好完善的智能無(wú)人機(jī)測(cè)繪航痕圖設(shè)計(jì)[2]，指導(dǎo)無(wú)人機(jī)完成后續(xù)航空攝影流程，接下來(lái)按照外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)、測(cè)量→空三加密與檢核→航測(cè)內(nèi)業(yè)描圖→地形圖編輯和檢查的步驟執(zhí)行測(cè)繪作業(yè)。在此工作中，地圖測(cè)繪的外業(yè)作業(yè)主要通過(guò)智能無(wú)人機(jī)按照1：1000的大比例作業(yè)要求自動(dòng)化完成，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)業(yè)作業(yè)人員結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行核查和驗(yàn)證。

4 智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)1：1000地形圖測(cè)繪的實(shí)證分析

4.1 智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)1：1000地形圖測(cè)繪的核心技術(shù)優(yōu)化

智能無(wú)人機(jī)的應(yīng)用雖然免除了傳統(tǒng)測(cè)繪作業(yè)條件下的缺點(diǎn)，但是其航空攝影過(guò)程中，仍然伴有影像重疊度高、像幅小等缺點(diǎn)，制約智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)在大比例地圖測(cè)繪中的應(yīng)用，因此為了解決這一問(wèn)題，需要進(jìn)行兩方面的準(zhǔn)備。一是外業(yè)作業(yè)時(shí)，像控點(diǎn)的布設(shè)依據(jù)待測(cè)區(qū)的地類劃分等權(quán)區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域大小布設(shè)7±2個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行像點(diǎn)采集。借助MAP-AT軟件的DEM的自生匹配功能，實(shí)現(xiàn)影響的自動(dòng)化拼接。并結(jié)合地貌、地形等地學(xué)參數(shù)，根據(jù)等權(quán)區(qū)域圈定符合條件的像控點(diǎn)的目標(biāo)點(diǎn)，截取點(diǎn)位附近的放大圖打印以便進(jìn)行選刺、聯(lián)測(cè)[3]。二是通過(guò)map matrix最優(yōu)版本實(shí)現(xiàn)無(wú)縫自動(dòng)切換模型，從而達(dá)到立體測(cè)繪的目標(biāo)要求。在對(duì)這兩方面內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整后，能夠有效提升無(wú)人機(jī)的測(cè)繪效果。

4.2 測(cè)區(qū)概況

為了充分研究智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)在1：1000大比例地形圖測(cè)繪的實(shí)踐效果，本文分別選擇平原地區(qū)及山區(qū)丘陵地帶作為實(shí)測(cè)區(qū)域進(jìn)行操作。根據(jù)測(cè)繪需求，對(duì)測(cè)繪地區(qū)進(jìn)行測(cè)前踏查，其基本情況如下：①平原測(cè)區(qū)，位于長(zhǎng)江中下游，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量豐沛，年均日照1700小時(shí)以上，含堆積平原及灘涂平原兩種地貌，塘漾棋布，平均海拔4～7m。測(cè)區(qū)內(nèi)含多條國(guó)道、省道、鐵路以及河流越境，屬于干支相連、水陸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)輸網(wǎng)構(gòu)造結(jié)構(gòu)。②山區(qū)丘陵測(cè)區(qū)，地處暖溫帶干旱氣候區(qū)，季節(jié)分明，日照豐盈，年均日照量近2500小時(shí)。測(cè)區(qū)外部環(huán)有山地，中部區(qū)域以丘陵為主，地勢(shì)由東向西部發(fā)生傾斜，是農(nóng)業(yè)發(fā)展聚集區(qū)，境內(nèi)平均海拔500米，最高海拔為900米，以國(guó)道、縣道、鄉(xiāng)間公路等為主要路網(wǎng)。endprint

4.3 無(wú)人機(jī)選型及比例尺確定

根據(jù)無(wú)人機(jī)測(cè)繪的功能需求，主要考量航空攝影相機(jī)及位移補(bǔ)償條件進(jìn)行選型。因此在本試驗(yàn)中選擇大地鷹D—Ⅲ型測(cè)繪無(wú)人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。無(wú)人機(jī)搭載的航空攝影數(shù)碼相機(jī)為配有16mm定焦鏡頭的索尼卡片機(jī)，像素可達(dá)1400萬(wàn)，單位像素尺為5.1μm。結(jié)合《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》（CH/Z 3005-2010）中對(duì)1∶1000比例尺地形圖測(cè)繪的要求以及瞬間相機(jī)位移產(chǎn)生成像噪點(diǎn)的固定[4]，要求航拍影像的分辨率在10cm±2cm之間，且非成像噪點(diǎn)高于2/3像素尺寸。那么要想完成全自動(dòng)無(wú)漏洞航空攝影，在80km/h的航拍速度下，其曝光瞬間相機(jī)位移產(chǎn)生的成像噪點(diǎn)不應(yīng)大于40mm。那么只要保持快門速度不大于1/600秒的情況下，就可以滿足地形圖測(cè)繪需求。

4.4 智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)實(shí)際作業(yè)流程

采取真彩色成像方式，根據(jù)無(wú)人機(jī)測(cè)繪的基本工作流程，基于事前踏查結(jié)果，分別對(duì)兩測(cè)區(qū)設(shè)定具體的航痕圖，其中測(cè)區(qū)①由南向北共設(shè)置4條長(zhǎng)度為1.5km的航線，總測(cè)航里程為6.9km，測(cè)區(qū)②按照由南向北的方式設(shè)置4條長(zhǎng)度不等的航線，總測(cè)航里程為16.3km。兩地形圖測(cè)繪區(qū)分別獲得133張及230張航拍圖片。按照航痕圖完成航空攝影后，按照外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)、測(cè)量→空三加密與檢核→航測(cè)內(nèi)業(yè)描圖→地形圖編輯和檢查的步驟執(zhí)行測(cè)繪作業(yè)。根據(jù)測(cè)區(qū)①②的地類等級(jí)劃分等權(quán)區(qū)域，平原地區(qū)的等權(quán)區(qū)域劃分難度遠(yuǎn)低于山區(qū)丘陵地區(qū)，且可在少量像控點(diǎn)的情況下達(dá)到地形圖測(cè)繪目標(biāo)，平原地區(qū)共選取像控點(diǎn)14個(gè)，山區(qū)丘陵地區(qū)共選取像控點(diǎn)25個(gè)。所有的像控點(diǎn)均采用高性能全站儀根據(jù)測(cè)量規(guī)范進(jìn)行測(cè)量。另外，為了檢測(cè)后期的成圖精度及空三加密作業(yè)，為每幅地形圖測(cè)繪設(shè)置了15～20個(gè)不等的檢測(cè)點(diǎn)，采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)來(lái)完成。根據(jù)內(nèi)頁(yè)描圖需要及相關(guān)作業(yè)規(guī)范，本試驗(yàn)采用match-AT空三軟件來(lái)進(jìn)行自由網(wǎng)的構(gòu)建，并使用PATM軟件來(lái)對(duì)區(qū)域網(wǎng)的平差進(jìn)行優(yōu)化處置，根據(jù)實(shí)測(cè)的影像分布情況空三區(qū)域?yàn)榧用軈^(qū)域網(wǎng)，并以自動(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合的方式，完成整個(gè)加密作業(yè)，達(dá)到1：1000的大比例尺數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)立體繪圖，將加密結(jié)束后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Map Matrix軟件進(jìn)行多源數(shù)據(jù)處理，完成描圖。對(duì)完成的描圖，分別針對(duì)測(cè)區(qū)的工作量、檢查數(shù)量、比例，點(diǎn)位平面精度，地物間距精度，點(diǎn)位高程精度（點(diǎn)/邊數(shù)、粗差率、中誤差）進(jìn)行核查和校準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能測(cè)繪無(wú)人機(jī)能夠有效彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感、傳統(tǒng)大飛機(jī)遙感測(cè)繪靈活度低的缺陷，并能夠在搭載高像素?cái)?shù)碼相機(jī)條件下，滿足大比例尺1：1000的多地形條件下的智能地圖測(cè)繪。本文所選用的機(jī)型在保持低于1/600秒的快門速率下，可以獲得穩(wěn)定的測(cè)繪地形圖，且在match-AT以及Map Matrix的軟件配合下，實(shí)現(xiàn)高精度，低人工強(qiáng)度的測(cè)繪工作，在應(yīng)急測(cè)繪、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用意義。

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