無人機(jī)在海島1∶500基礎(chǔ)地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

黃小明，江玉蓉

(溫州市勘察測(cè)繪研究院，浙江 溫州 325027)

1 引 言

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)是繼大飛機(jī)航測(cè)之后發(fā)展起來的一項(xiàng)新型航空攝影測(cè)量技術(shù)。近年來，采用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)制作DOM及DEM，在應(yīng)急測(cè)繪保障、國土資源監(jiān)測(cè)、重大工程建設(shè)等方面也得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于大比例尺數(shù)字線劃圖(DLG)的生產(chǎn)應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段，還沒有得到大面積的推廣應(yīng)用。本文結(jié)合北麂島 1∶500基礎(chǔ)地形圖無人機(jī)航測(cè)的生產(chǎn)案例，介紹了無人機(jī) 1∶500航測(cè)成圖的關(guān)鍵步驟及控制措施，并通過精度檢測(cè)與分析，論證了無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于 1∶500地形圖測(cè)繪的適用性和有效性。

2 工藝流程

2.1 儀器及軟件

采用儀器包括：垂直起降固定翼無人機(jī)：大鵬CW-20(飛行總重：24 kg，任務(wù)載荷：2 kg，巡航速度：25 m/s，續(xù)航時(shí)間：4 h，抗風(fēng)能：7級(jí))；可量測(cè)型航測(cè)相機(jī)：飛思iXU-RS1000(有效像素：1億像素，最高分辨率：11608×8708，畫幅：53.4 mm×40 mm)。采用軟件包括：相片編輯軟件：CaptureOne，無人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)：GodWork，測(cè)圖軟件：MapMatrix、FeatureOne。

2.2 作業(yè)流程

根據(jù)航空攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)與地形圖匯編要求，制定作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程

3 生產(chǎn)試驗(yàn)

3.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于浙江省瑞安市北麂鄉(xiāng)，全鄉(xiāng)由16個(gè)島嶼組成，屬海島鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本次主要對(duì)北麂本島、下岙島、關(guān)帝島3個(gè)有人島以及附近的島礁進(jìn)行 1∶500基礎(chǔ)地形圖測(cè)繪，總面積約 6.2 km2，其中陸域面積 4.5 km2，地形以島礁為主，建成區(qū)僅占15%左右。

鑒于海島地形地貌的復(fù)雜性和特殊性，采用常規(guī)測(cè)量手段施測(cè)難度大，作業(yè)效率低，且危險(xiǎn)系數(shù)高。而無人機(jī)航空攝影測(cè)量具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，能有效地解決常規(guī)海島地形測(cè)量的不足。本項(xiàng)目采用無人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)全范圍進(jìn)行航空攝影并航測(cè)成圖，考慮到航測(cè)成圖可能難以滿足《浙江省 1∶500、1∶1 000、1∶2 000基礎(chǔ)數(shù)字地形圖測(cè)繪規(guī)范》中一、二類地物點(diǎn)的精度要求，對(duì)建成區(qū)進(jìn)行全野外數(shù)字化測(cè)圖，同時(shí)也有利于對(duì)無人機(jī)航測(cè)成圖精度符合性進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 關(guān)鍵步驟及控制措施

(1)航攝數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目影像數(shù)據(jù)采集采用垂直起降固定翼大鵬CW-20無人機(jī)，搭載可量測(cè)的飛思iXU-RS1000相機(jī)。設(shè)計(jì)航高為 600 m，基線長度為 108 m，航線間距為 205 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，飛行架次1個(gè)，飛行航線22條，航攝時(shí)間為上午8：43～9：44?？紤]到海面反射大，相片容易過曝，在影像采集時(shí)，特將相機(jī)調(diào)成略微欠曝模式，最終于內(nèi)業(yè)進(jìn)行批量調(diào)色后輸出，獲取影像地面分辨率優(yōu)于 0.05 m的原始影像相片657張。

(2)像控點(diǎn)測(cè)設(shè)

無人機(jī)航攝完成后，結(jié)合測(cè)區(qū)快拼影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)于不同布設(shè)方案的精度影響和可操作性進(jìn)行對(duì)比分析，選擇確定適合本項(xiàng)目的像控點(diǎn)布設(shè)方案。

方案一：在航向三片重疊和旁向重疊中線附近進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，共需布設(shè)像控點(diǎn)113個(gè)。由于島域地理環(huán)境等因素影響，大片水域、大片草地、以及懸崖等位置實(shí)地?zé)o法布設(shè)像控點(diǎn)，同時(shí)控制點(diǎn)直線布設(shè)的方式對(duì)于面積較小的附屬島礁難于控制。因此，該像控點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)于本測(cè)區(qū)來說，其實(shí)際可操作性較差，且像控精度也難于得到保證，如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)布點(diǎn)方案一

方案二：在航向與旁向均取重疊中線進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，共需布設(shè)像控點(diǎn)256個(gè)。該布設(shè)方案可解決小島布設(shè)像控?cái)?shù)量少和構(gòu)形呈直線的問題，像控精度也可得到有效保證。但對(duì)于無人機(jī)已經(jīng)增加后差分處理模塊的前提下，該方案像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)目過多，對(duì)于海島上像控點(diǎn)尋找、外業(yè)施測(cè)難度大，其實(shí)際可操作較差，如圖3所示。

圖3 像控點(diǎn)布點(diǎn)方案二

圖4 像控點(diǎn)布點(diǎn)方案三(注：右上角小島不在測(cè)區(qū)范圍)

方案三：根據(jù)實(shí)際地形情況進(jìn)行像控點(diǎn)布點(diǎn)，該方案也是本項(xiàng)目最終采用的像控點(diǎn)布設(shè)方案，共布設(shè)像控點(diǎn)144個(gè)，實(shí)測(cè)像控點(diǎn)121個(gè)，有效保證了本項(xiàng)目的像控精度，如圖4所示。像控點(diǎn)布設(shè)和施測(cè)情況如下：

①當(dāng)大陸不能直接連接構(gòu)網(wǎng)時(shí)，將零散的小島按照野外布點(diǎn)的方式連接[3]，單獨(dú)進(jìn)行像控布設(shè)，使布設(shè)的像控點(diǎn)在小島上能構(gòu)成大地四邊形；

②海島礁影像包含大面積水域的特殊性，影響影像的匹配精度，為保證后期空三處理的精度，可以適當(dāng)沿海島岸線加布控制[6]，并根據(jù)海島形狀，在海島邊緣靠近島內(nèi)位置進(jìn)行布點(diǎn)，避開危險(xiǎn)地理環(huán)境，同時(shí)延長像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)間，減小多路徑效應(yīng)；

③根據(jù)像控點(diǎn)整體情況，在像控未覆蓋的區(qū)域增設(shè)像控點(diǎn)，如在海島村落、燈塔、碑石等位置增設(shè)像控點(diǎn)；

④在godwork軟件中，導(dǎo)入像控點(diǎn)點(diǎn)號(hào)與假定的位置坐標(biāo)，根據(jù)影像分布將選好的控制點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，調(diào)整過于邊緣或涉及影像數(shù)目過少的像控點(diǎn)的位置；

本文通過對(duì)比以往的一些國家級(jí)試點(diǎn)綠色礦山建設(shè)情況和當(dāng)前最新的廣東省綠色礦山建設(shè)要求，認(rèn)為以往的綠色礦山建設(shè)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面未充分利用現(xiàn)代化數(shù)字手段。本文討論了遙感衛(wèi)星、無人機(jī)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等數(shù)字化技術(shù)綠色礦山建設(shè)中的重要意義，提出一種符合廣東綠色礦山建設(shè)實(shí)際情況的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，具體包括基礎(chǔ)信息、監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警4個(gè)模塊。在基礎(chǔ)信息模塊使用遙感技術(shù)，在監(jiān)測(cè)模塊使用無人機(jī)技術(shù)，評(píng)估模塊使用人工智能技術(shù)，預(yù)警模塊使用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和手機(jī)APP技術(shù)。通過融合傳統(tǒng)的地災(zāi)評(píng)估方法和最新的數(shù)字化技術(shù)，多個(gè)功能相互結(jié)合，可為監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)礦山地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供一套可行的方法。

⑤像控點(diǎn)外業(yè)測(cè)量采用RTK測(cè)量方式，施測(cè)方法和技術(shù)要求按照?qǐng)D根控制測(cè)量的規(guī)定進(jìn)行，像控點(diǎn)平面和高程中誤差均優(yōu)于 ±5 cm；

⑥由于外業(yè)像控點(diǎn)采集時(shí)存在地形或者相片角度問題，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)所選的點(diǎn)位仍有部分不能實(shí)地布設(shè)或施測(cè)，本次實(shí)測(cè)像控點(diǎn)121個(gè)，且全部為平高點(diǎn)，滿足空三加密的需要。

(3)空三加密

空中三角測(cè)量是航空攝影測(cè)量的技術(shù)核心，決定了模型精度和測(cè)圖精度。在本項(xiàng)目空三加密過程中，遇到以下一些問題并做了相應(yīng)處理：①通過對(duì)快拼影像的觀察，除正常的錯(cuò)位外，由于部分照片水域面積過大，浪花、水紋、水面高度對(duì)構(gòu)網(wǎng)產(chǎn)生影響，島嶼的快拼成果還存在島嶼邊緣拼接錯(cuò)亂的現(xiàn)象。特在后續(xù)空三工程進(jìn)行前，將海水面占相片面積50%以上的相片舍去。②由于像控點(diǎn)刺點(diǎn)時(shí)受相片角度限制，會(huì)發(fā)生平面位置偏差甚至在高程上產(chǎn)生影響。采取在一輪刺點(diǎn)完成后，再進(jìn)行立體刺點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整，從而盡可能保證像控點(diǎn)點(diǎn)位正確。③對(duì)于點(diǎn)位難以辨認(rèn)的情況，采取先閑置，待大部分控制點(diǎn)完成后，進(jìn)行控制網(wǎng)平差，再對(duì)改點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位預(yù)測(cè)，結(jié)合外業(yè)量測(cè)像控所采集的照片進(jìn)行點(diǎn)位確認(rèn)，完成最終刺點(diǎn)。④存在高出地面 20 cm的形似里程碑的地物，在平差過程中出現(xiàn)該地物上采集的像控點(diǎn)在z值上始終存在約 20 cm的偏差。經(jīng)反復(fù)對(duì)照相片以及與外業(yè)人員確認(rèn)后，判定該地物是由于斷面粗糙，顏色與地面相近等原因，在空三計(jì)算時(shí)被當(dāng)作與地面等高，故將該點(diǎn)作舍棄處理。

本次在影像處理過程中，采用GodWork空三軟件并嚴(yán)格基于相機(jī)和鏡頭幾何模型，并對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行精度吻合性檢驗(yàn)和分析利用，最終利用像控點(diǎn)116個(gè)，舍棄5個(gè)，空三精度為：-0.127 m≤VX≤0.122 m，-0.081 m≤VY≤0.140 m，-0.180 m≤VH≤0.149 m，平面中誤差±0.048 m，高程中誤差為 ±0.053 m，空三加密精度較優(yōu)，滿足測(cè)圖的要求。

(4)立體測(cè)圖

人工采集產(chǎn)生的誤差是誤差中一個(gè)比較重要的來源。地物的高度、遮擋等都會(huì)對(duì)矢量采集產(chǎn)生影響。因此，提高作業(yè)員作業(yè)精度和操作熟練程度可提升矢量采集成果的精度；同時(shí)，制作相應(yīng)的高精度正射影像在編圖過程中有一定的輔助作用。此外，考慮海面耀斑、沿岸浪花對(duì)內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖的影響，本項(xiàng)目實(shí)施過程中著重做好以下兩點(diǎn)工作：①選擇合適的航攝時(shí)機(jī)，在低潮位時(shí)間段作業(yè)，獲得的影像最大限度地覆蓋海岸的灘涂范圍，同時(shí)沿海岸線間相鄰影像的曝光時(shí)差盡量控制較短時(shí)間內(nèi)，避免瞬時(shí)水崖線的互差較大；②海岸線采集時(shí)綜合參考水崖線痕跡、水邊線形態(tài)和地貌特征，最大限度地保持海岸線的逼真性，當(dāng)采集的海岸線與地形要素發(fā)生矛盾時(shí)，在高程限差范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整海岸線的平面位置。

(5)外業(yè)調(diào)繪

立體測(cè)圖形成了初步的地形圖成果后，通過外業(yè)調(diào)繪，對(duì)地形圖進(jìn)行全面核查和調(diào)繪，主要包括地物修補(bǔ)測(cè)、屋檐改正、電桿連線、屬性調(diào)查及地形圖表示綜合取舍等內(nèi)容，確保地形圖表示的內(nèi)容完整正確。

(6)成果整合

結(jié)合外業(yè)調(diào)繪資料對(duì)進(jìn)行內(nèi)業(yè)測(cè)圖成果編輯處理，同時(shí)對(duì)采用數(shù)字測(cè)圖方法采集的建成區(qū)一、二類地物點(diǎn)及其他補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，最終獲得測(cè)區(qū)范圍內(nèi)完整的 1∶500基礎(chǔ)地形圖成果。

4 精度評(píng)定

采用航測(cè)成圖的數(shù)據(jù)和外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，主要從平面精度和高程精度兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)定。在平面精度方面選取房屋、電力線、道路邊線、坎、圍墻等地物的拐角點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比；在高程精度方面選取居民區(qū)、道路和田塊等平坦地區(qū)的高程注記點(diǎn)及等高線插求點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)。

4.1 1∶500地形圖測(cè)量的精度要求

依據(jù)《浙江省1∶500、1∶1 000、1∶2 000基礎(chǔ)數(shù)字地形圖測(cè)繪規(guī)范》(DB33/T552-2014)中地形圖精度要求，平面和高程測(cè)量精度要求如表1、表2所示。

地物點(diǎn)平面測(cè)定精度要求 表1

地形圖基本等高距及高程精度要求 表2

4.2 檢測(cè)結(jié)果

地物點(diǎn)平面誤差分布狀況統(tǒng)計(jì)表 表3

高程誤差分布狀況統(tǒng)計(jì)表 表4

4.3 成果精度符合性分析

(1)本項(xiàng)目采用無人機(jī)1∶500航測(cè)成圖，整體精度均勻且良好，尤其是高程精度相對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)方法有明顯的提高。平面和高程精度均可滿足《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的要求，但建成區(qū)屋檐改正工作量及難度較大，生產(chǎn)效率較低。

(2)本項(xiàng)目采用無人機(jī)1∶500航測(cè)成圖，對(duì)于建成區(qū)一、二類地物點(diǎn)，其平面精度仍難于滿足《浙江省 1∶500、1∶1 000、1∶2 000基礎(chǔ)數(shù)字地形圖測(cè)繪規(guī)范》規(guī)定的要求，屋檐改正是其誤差產(chǎn)生的主要因素之一。

(3)本項(xiàng)目最終采用綜合成圖方法，即建成區(qū)一、二類地物點(diǎn)采用野外數(shù)字化成圖，其他地形地貌采用無人機(jī) 1∶500航測(cè)成圖，項(xiàng)目成果經(jīng)浙江省測(cè)繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站最終驗(yàn)收，質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5 結(jié) 語

無人機(jī)航攝系統(tǒng)軟硬件技術(shù)難點(diǎn)不斷突破，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化階段，越來越成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集的主要手段。將無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，可快速獲取3D數(shù)字測(cè)繪成果，將是未來新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文采用固定翼無人機(jī)搭載可量測(cè)的相機(jī)進(jìn)行低空航測(cè)成圖，通過充分的準(zhǔn)備工作，對(duì)航空攝影、像控測(cè)量、空三加密和內(nèi)業(yè)測(cè)圖等關(guān)鍵步驟進(jìn)行質(zhì)量控制，最終通過外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測(cè)完成測(cè)區(qū) 1∶500地形圖測(cè)繪工作，有效提高了工作效率。同時(shí)，通過質(zhì)量檢驗(yàn)和分析，論證了無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于 1∶500地形圖測(cè)繪的適用性和有效性。

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