無人機(jī)航測技術(shù)在1∶1000帶狀地形圖制作中的應(yīng)用研究

□ 楊 超 王豪威

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

0.引言

作業(yè)區(qū)內(nèi)水庫為所在地區(qū)重要水源地，是以防洪為主，兼顧城市用水、灌溉、發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程。因此需要修建圍擋來保護(hù)水源地和群眾的安全，測繪對圍擋修建工作提供數(shù)字化地形圖用于設(shè)計(jì)，以保障圍擋設(shè)置恰當(dāng)、位置準(zhǔn)確。

圍擋建設(shè)1∶1000帶狀數(shù)字化地形圖測繪（以下簡稱項(xiàng)目）帶寬為50m。帶狀地形圖的測量可采用全野外數(shù)字測圖以及傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)，因工作區(qū)高差較大，部分地區(qū)地貌破碎，局部山地受地形影響，作業(yè)人員不易到達(dá)，導(dǎo)致地貌表示不夠詳細(xì)，且測繪難度大，效率低，地形圖精度不均勻,以及測區(qū)內(nèi)植被覆蓋率高，且多荊棘類植物，故全野外模式難度較大；雖然傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但是對于天氣和機(jī)場等條件依賴性大，并且成本較高，所以限制了其在帶狀地形測量中的應(yīng)用。通過有效的像片控制測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無人機(jī)航測技術(shù)可以有效解決以上作業(yè)方法無法解決的問題。

1.無人機(jī)系統(tǒng)簡介

無人機(jī)航攝技術(shù)是傳統(tǒng)航空攝影測量和全野外數(shù)字化成圖等技術(shù)的有效補(bǔ)充手段，適用于小面積、危險(xiǎn)區(qū)域的大比例尺數(shù)字地形圖測繪，就目前而言，無人機(jī)航攝技術(shù)已在建筑、水利水電、農(nóng)業(yè)、公路鐵路、礦山以及城市建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。

以天巡AS1200無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)屬于單相機(jī)系統(tǒng)、固定翼單發(fā)射型無人機(jī)，機(jī)長800mm，翼展1230mm，飛機(jī)凈重900g，有效巡航時(shí)間大約0.5h，該無人機(jī)相機(jī)系統(tǒng)采用經(jīng)精密檢校的Sonyα5100相機(jī)，焦距20 mm，像元尺寸0.0039mm。可以通過規(guī)劃不同航高的航線獲取不同地面分辨率的影像，根據(jù)項(xiàng)目工作區(qū)情況，規(guī)劃航高300m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，影像地面分辨率5.85cm。不同影像地面分辨率滿足不同比例尺數(shù)字地形圖成圖要求（如表1所示）。

表1 數(shù)字地形圖成圖比例尺與影像地面分辨率對應(yīng)表

然而，如何進(jìn)行像片控制測量為后期提供符合精度要求的空三加密數(shù)據(jù)滿足內(nèi)業(yè)地形圖數(shù)據(jù)采集成為關(guān)鍵技術(shù)。

2.技術(shù)應(yīng)用分析

以項(xiàng)目為例，利用無人機(jī)航空攝影測量制作1∶1000帶狀地形圖的流程（如圖1所示）。

在準(zhǔn)備工作完成后，首先在工作區(qū)布設(shè)GPS控制點(diǎn)10個(gè)，建立了E級GPS首級控制網(wǎng)，點(diǎn)位分布均勻，網(wǎng)型規(guī)則，可以有效地限制誤差的的累積和傳播，為像片控制測量提供準(zhǔn)確的起算數(shù)據(jù)。

在E級GPS首級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的像片控制測量，像控點(diǎn)的布設(shè)密度及分布情況，直接影響內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集精度。

圖1 無人機(jī)航攝流程圖

根據(jù) GB/T7930-2008《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》以及GB/T 23236-2009《數(shù)字航空攝影空中三角測量規(guī)范》的要求，通過對像控點(diǎn)的刺點(diǎn)，進(jìn)行空中三角測量的自由網(wǎng)構(gòu)建和優(yōu)化平差；利用空三加密成果構(gòu)建立體模型，在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行采集和編輯，提供滿足規(guī)范要求的地形圖數(shù)據(jù)成果。

2.1 像片控制測量

由于無人機(jī)獲取的影像像幅小，航片間重疊度大，同等條件下無人機(jī)影像無論是航線數(shù)還是像片總數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)航片數(shù)，依據(jù)航空攝影測量規(guī)范像控點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）選在無遮擋，清晰易辨的地方；（2）布設(shè)的像控點(diǎn)宜能公用，一般布設(shè)在航向及旁向六片或五片重疊范圍內(nèi)；（3）為保證交會(huì)和定向精度，像控點(diǎn)距離方位線（影像邊線即相鄰像片像主點(diǎn)的連線）的距離不應(yīng)小于3cm。根據(jù)地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范，1∶1000地形圖布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)應(yīng)按照6～7條基線布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)，這樣外業(yè)工作量會(huì)大量增加，在滿足航空攝影測量規(guī)范的前提下，既要滿足地形圖的精度又要提高工作效率，合理地進(jìn)行相片控制測量顯得尤為重要。

結(jié)合作業(yè)區(qū)內(nèi)水庫地理概況和1∶1000地形圖的成圖精度要求，進(jìn)行測區(qū)像片控制點(diǎn)的布設(shè)。相控點(diǎn)的布設(shè)方式采用預(yù)制50cm×50cm木板，噴涂紅色油漆，在測區(qū)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上使用GPS-RTK系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測量，因作業(yè)區(qū)無明顯特征點(diǎn)，故采用預(yù)制的木質(zhì)標(biāo)志，方便攜帶且清晰醒目便于辨別，標(biāo)志示意圖（如圖2所示）。

圖2 布設(shè)的標(biāo)志示意圖

因庫區(qū)周邊以山地為主，中線彎曲不規(guī)則，航片的分布也不規(guī)則，所以采用稀疏布點(diǎn)的方法進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，稀疏布點(diǎn)是指在野外布設(shè)少量的像控點(diǎn)，然后通過內(nèi)業(yè)加密的方法得到其余大部分控制點(diǎn)的布點(diǎn)方案，從而達(dá)到作業(yè)區(qū)的整體布設(shè)[2]。以5公里中線為例，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)間隔10～11條基線布設(shè)2個(gè)像控點(diǎn)，即500m間距布設(shè)2個(gè)像控點(diǎn),中線兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)，外業(yè)共布設(shè)像控點(diǎn)22個(gè)，檢查點(diǎn)10個(gè)。此段中線像控點(diǎn)布設(shè)示意圖（如圖3所示）。

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2 精度分析

在像控點(diǎn)布設(shè)完成后、經(jīng)空三加密及內(nèi)業(yè)測圖，外業(yè)采用相同精度的GPS-RTK系統(tǒng)和全站儀在測區(qū)進(jìn)行重要地物點(diǎn)的檢查，如房角、明顯道路邊角、坎拐角等具有代表性的特征點(diǎn)，從而對像控點(diǎn)密度影響地形圖精度做了較為詳細(xì)的對比。以上述5000m的中線為例，檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)為10個(gè)，分別對比了像控點(diǎn)間距1500m、1000m以及500m對地形圖成圖精度的影響。像控點(diǎn)間距影響的地形圖精度分析表（如表2所示）。

表2 精度分析表

通過表1中的對比分析，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)每隔500m間距在中線兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)可以達(dá)到1∶1000地形圖成圖規(guī)范要求。

數(shù)字線劃圖圖上地物點(diǎn)平面位置精度對鄰近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)大于表3之要求。

表3 平面位置中誤差

高程注記點(diǎn)相對于鄰近平面控制點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于相應(yīng)比例尺地形圖基本等高距的1/3。困難地區(qū)放寬0.5倍。

內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)、高程注記點(diǎn)和等高線對附近野外控制點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)大于表4之規(guī)定。

表4 高程中誤差

作業(yè)區(qū)共檢查平面點(diǎn)44個(gè)，平面中誤差為0.352m，平面中誤差中∶最大誤差為0.711m。其中，小于等于1倍中誤差的點(diǎn)有25個(gè)，占檢測點(diǎn)數(shù)的56.8%;大于1倍中誤差小于2倍中誤差的點(diǎn)有17個(gè)，占檢測點(diǎn)數(shù)的38.6%，大于2倍中誤差的點(diǎn)有2個(gè)，占檢測點(diǎn)數(shù)的4.6%，其誤差分布區(qū)間（如表5所示）。

表5 平面誤差分布區(qū)間表

共檢查高程點(diǎn)133個(gè)，高程中誤差為0.329m，高程中誤差中∶最大誤差為0.479m。其中，小于等于1倍中誤差的點(diǎn)有41個(gè)，占檢測點(diǎn)數(shù)的30.8%;大于1倍中誤差小于2倍中誤差的點(diǎn)有92個(gè)，占檢測點(diǎn)數(shù)的69.2%，其誤差分布區(qū)間見表6，表7為部分精度統(tǒng)計(jì)表。

表6 高程誤差分布區(qū)間表

表7 部分精度統(tǒng)計(jì)表

從上述像控點(diǎn)布設(shè)的對比以及野外檢查點(diǎn)的精度分析說明無人機(jī)航攝技術(shù)可以滿足1∶1000地形圖平面中誤差±0.60m以及高程中誤差±0.50m的成圖規(guī)范要求。

3.結(jié)束語

由于無人機(jī)航攝技術(shù)成本低、投入人員少、機(jī)動(dòng)靈活、現(xiàn)勢性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)勢，適用于復(fù)雜及危險(xiǎn)區(qū)域的測繪工作，有效地解決了全野外模式和傳統(tǒng)航空攝影測量在帶狀地形圖測量中未能解決的問題。但同時(shí)無人機(jī)航攝技術(shù)限制于天氣因素，雨霧天氣均會(huì)影響無人機(jī)的飛行。

本文重點(diǎn)研究利用無人機(jī)技術(shù)在1∶1000帶狀地圖制作中的應(yīng)用。經(jīng)過驗(yàn)證，該方案可以滿足1∶1000地形圖制作相關(guān)規(guī)范，因此無人機(jī)技術(shù)在帶狀地形圖測量中優(yōu)勢明顯，節(jié)省了人力并且能夠很大程度上節(jié)約成本和提高生產(chǎn)效率。但采用本方法在大面積灌木、森林區(qū)域進(jìn)行地形圖測繪受到了極大限制，如何解決大面積灌木、森林區(qū)域的地形圖制作將是下一步工作的重點(diǎn)。