基于無人機低空航攝的大比例尺地形圖測繪研究

文/王永忠、王蘭英 菏澤市測繪研究院 山東菏澤 274000

孫濤 菏澤市測繪院 山東菏澤 274000

在傳統(tǒng)大比例測繪中，通常采用數(shù)字化全要素測繪方法，依托大量人工進行多源數(shù)據(jù)采集，即多使用靜態(tài)GNSS技術(shù)進行控制網(wǎng)布設(shè)，然后使用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與全站儀聯(lián)合測繪，完善碎部數(shù)據(jù)測量。相對于無人機低空航攝來說，傳統(tǒng)的測量方式需逐點去獲取數(shù)據(jù)，工程測量的效率較低，在大范圍工程地形測量中往往受到一定制約，無人機航攝測繪的大比例尺地形圖的應(yīng)用，恰能解決此類問題。

1、低空航攝系統(tǒng)的構(gòu)成

無人機低空航攝系統(tǒng)（UAV），即由無人機硬件設(shè)備模塊、飛行控制模塊與低空航攝遙感模塊等構(gòu)成，涉及數(shù)據(jù)實時通訊、GPS差分、多源影像數(shù)據(jù)獲取等現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)測繪而言，無人機航攝數(shù)據(jù)采集效率更高，由于無人機航攝方式多為低空飛行，對氣象因素要求較低、空域限制較少，數(shù)據(jù)采集的實時性好，同時由于具備視覺角度廣闊、測量精度高且成本價格低廉等優(yōu)點，在公路市政、城市建設(shè)等大比例尺地形圖測繪領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。

2、無人機航攝成圖的基本流程

無人機航攝系統(tǒng)在大比例尺地形圖制作的基本流程，可分為技術(shù)設(shè)計、外業(yè)測繪、空三加密、內(nèi)外業(yè)調(diào)繪和資料整理五個過程。上述流程中，技術(shù)設(shè)計則包含方案、依據(jù)、進度和具體實施等過程，外業(yè)測繪主要包含像控制量和低空的航攝測量兩大部分，在完成業(yè)內(nèi)的空三加密工作后，便進行業(yè)內(nèi)的測量和外業(yè)的調(diào)繪工作，最后對地形圖進行成果質(zhì)量檢驗與相關(guān)技術(shù)文件的編繪整理。由于無人機航攝在高程控制上，相對于平面精度控制較為困難，其高程測繪應(yīng)滿足以下精度（表1）。

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3、基于無人機低空航攝系統(tǒng)的大比例尺地形圖測繪應(yīng)用

現(xiàn)有某區(qū)域擬開展規(guī)劃設(shè)計，缺少1:1000大比例尺地形圖，轄區(qū)面積約30平方千米，包括居民地、道路和農(nóng)用地等多種地類。該工程的項目時間相對較緊，傳統(tǒng)全站儀或GNSS測繪難以滿足工期要求，故擬采用無人機低空航攝的方法開展地形圖測繪。

外業(yè)控制測量方面，包含低空航攝線路規(guī)劃和外業(yè)控制點的布點兩方面。在航線規(guī)劃上，基本是按東西方向敷設(shè)一些航線，并且將旁向重疊度設(shè)置為55%，航向重疊度設(shè)置為65%，選擇晴朗無風(fēng)的天氣進行拍攝?？刂泣c布點方面，每個區(qū)域要橫跨四個布設(shè)基點，盡量選擇在旁向的重疊線附近。整個區(qū)域的布設(shè)原則基本為邊緣密布，測區(qū)的內(nèi)部均勻布置控制點，確保整個項目的平差和測繪精度。在像控點采集上，采用網(wǎng)絡(luò)RTK差分定位技術(shù)，求解布爾沙七參數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)后進行像控點平面與高程數(shù)據(jù)測量，實際采集中獨立觀測兩次，平面的位置較差和高程誤差若不符合誤差標準規(guī)范時，應(yīng)進行重新測量。

航攝系統(tǒng)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析。在空三測量方面，無人機航攝系統(tǒng)在獲取航攝像片后，首先剔除不滿足航攝規(guī)范的明顯偏差影像，然后采用PhotoScan或Pix4D軟件，輸入RTK方式采集的像控點(X,Y,H)坐標，進行航攝數(shù)據(jù)定向與平差處理。在相對的定向時，要對連接點進行均勻分布，相對定向時，像素連接點要多于30個。在內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理方面，導(dǎo)入空三加密成果，按照內(nèi)外方位元素與影像糾正，結(jié)合影像鑲嵌與色彩平衡，得到測區(qū)DOM正射影像。

大比例尺線劃地形圖制作與成果質(zhì)量分析。基于正射影像DOM數(shù)據(jù)，按照地形圖式的要求，按照要素圖層分類，進行地物和地貌的采集以及地形圖的編輯，最終完成1:1000地形圖制作工作，然后采取抽樣實測檢核的方式對數(shù)據(jù)進行精度檢查和成果質(zhì)量評價，檢查點要均勻的分布在整個測區(qū)之中，多選擇墻角、線桿和房屋角以及道路的交叉口等地物點，采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式對所測區(qū)域進行精確坐標采集，然后求解與無人機航攝DOM采集的坐標差值，經(jīng)實測對比分析，平面坐標約7cm、高程精度9cm，滿足1:1000地形圖航攝標準。

結(jié)語：

綜上所述，無人機低空航測成圖技術(shù)，擁有適用區(qū)域大、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本較低、速度快效率高、應(yīng)用機動靈活等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于地理國情普查、災(zāi)害應(yīng)急測繪等工程中，也為區(qū)域大比例尺地形數(shù)據(jù)更新提供了新的方式。由于是新技術(shù)，應(yīng)用中也存在一些短板，如飛行器的續(xù)航能力問題、姿態(tài)穩(wěn)定性問題、航攝相機性能問題、后期影像數(shù)據(jù)處理精度問題，這些都依賴各項設(shè)備性能不斷進步、應(yīng)用技術(shù)的不斷探索來逐步解決，故加強無人機低空航攝大比例尺地形圖測繪的研究，具有重要的現(xiàn)實性意義。