低空無人機在公路改建1∶2000帶狀地形圖測繪中的應(yīng)用研究

張培 蔣達(dá) 孫莉 賀曉陽

（1.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003）

1 引言

當(dāng)前，在公路帶狀地形測繪中主要采用GNSS RTK測繪法、全站儀測繪法和傳統(tǒng)的航空測繪法[1]。其中，GNSS RTK測繪法和全站儀測繪法所需的人力、物力較多，工作難度較大，對建筑密集地帶無法精確測量。傳統(tǒng)的航空測量受天氣影響較大，成本高、拍攝周期長。近年來，無人機低空航攝憑借低成本、易操作、生產(chǎn)周期短、精細(xì)準(zhǔn)確、不受外界多數(shù)因素干擾、適用于危險區(qū)測繪等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測、城鄉(xiāng)規(guī)劃、工程建設(shè)、資源監(jiān)測、基礎(chǔ)測繪等領(lǐng)域[2-3]。

本文針對傳統(tǒng)公路帶狀圖測繪費時費力的特點，通過對無人機航攝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行研究，一方面革新了大比例尺帶狀地形圖的獲取方式；另一方面提高了復(fù)雜地形中的精度，滿足了大比例尺測圖技術(shù)要求。

2 無人機航攝系統(tǒng)及技術(shù)流程

2.1 無人機航攝系統(tǒng)簡介

低空無人機(unmanned aerialvehicle，UAV)航攝系統(tǒng)是集無人駕駛飛行器、遙感及GNSS導(dǎo)航定位等技術(shù)于一體的高機動性、低成本、小型化、專用化遙感系統(tǒng)，包括無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)和非量測型面陣CCD數(shù)碼相機，及地面站、遠(yuǎn)程無線通信裝置、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施[4]。（如圖1所示）

2.2 生產(chǎn)技術(shù)流程

在帶狀公路地形測量中，無人機航攝的生產(chǎn)技術(shù)流程由接受任務(wù)開始，經(jīng)室內(nèi)方案設(shè)計、航空拍攝、控制點測量、空三加密、內(nèi)業(yè)測圖、資料整理六大階段[5]，分為16個步驟。（如圖2所示）

圖1 無人機航攝系統(tǒng)組成

3 無人機在公路改建測量中的應(yīng)用

項目作業(yè)區(qū)域擬改建公路全長28.37km，以1∶5萬線路中線為基礎(chǔ)，向兩側(cè)各外擴150m。線路屬山地地形，一般地形和隱蔽地形都有分布，地物較多，植被有水田、旱地、果園、樹林、灌木等。部分地區(qū)樹林密集，地物雜亂無章，沿線道路交通不便，通視情況較差。

3.1 控制測量

航攝前進行平面及高程控制測量：測區(qū)范圍共布設(shè)GNSS控制點10個，控制網(wǎng)概略圖如圖3所示。平差后，在CGCS2000坐標(biāo)系中，點位三維中誤差范圍為±2.2～±4.9mm；對10個GNSS控制點采用二等幾何水準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)觀測，平差后點位高程中誤差范圍為±0.1～±1.1mm，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

3.2 無人機航空攝影

完成控制測量后，依據(jù)測量寬度設(shè)計航線，共設(shè)計6個飛行架次。航飛平臺主要為CW-30，采用尼康D810單反相機，焦距為88.59mm。要根據(jù)氣候條件選擇最佳航攝時間。橫向覆蓋區(qū)域加上20%的寬度，向外延伸兩條基線，分辨率為0.12m。制作像片的控制點標(biāo)識，常采用1.5m的方形噴繪紙，將其制作成較易辨識的黑白相間的三角形符號。在實際測量中，地形較為復(fù)雜的區(qū)域，地面可視度較低，對線路中線周圍的控制點進行設(shè)置時，須使用辨識度較高的布標(biāo)，以保證測量精度及后續(xù)成圖處理的準(zhǔn)確度。通常選用邊長1.5m的正方形噴繪布制作4個黑白相間的三角形布標(biāo)。

圖2 生產(chǎn)技術(shù)流程

圖3 GNSS控制網(wǎng)布設(shè)示意圖

3.3 空三加密

空三加密是無人機影像處理的關(guān)鍵，也是整個處理流程的難點，主要目的是為缺少野外控制點的地區(qū)測圖提供絕對定向的控制點。無人機影像像幅小、數(shù)量多，一個小的區(qū)域網(wǎng)就會有上千張影像，且由于無人機飛行受外界條件影響，航向和姿態(tài)角的偏差較大，采用傳統(tǒng)的加密方法及軟件無法滿足要求。

實際作業(yè)中采用的PixelGrid系統(tǒng)是專門針對無人機影像特點開發(fā)的無人機影像快速處理模塊。在相對定向和模型連接完成后，針對因航飛不穩(wěn)造成模型連接不穩(wěn)的地方，定義航帶初始偏移量時適當(dāng)增加偏移點個數(shù)，提高模型間轉(zhuǎn)點的成功率和精度。對于部分自動連接失敗的模型，通過人工干預(yù)增強連接強度。

測區(qū)自由網(wǎng)解算連接點上下視差保持在1個像素以內(nèi)（6.4μm），模型連接較差達(dá)到規(guī)范要求?？刂泣c、檢查點均在立體觀測下準(zhǔn)確量測。加密運算結(jié)果的平面精度為0.48m，高程精度為0.32m，達(dá)到項目要求。

3.4 內(nèi)業(yè)測圖

內(nèi)業(yè)矢量測圖采用Virtuozo數(shù)字?jǐn)z影測圖系統(tǒng)，進行立體數(shù)據(jù)采集，立體像對直接導(dǎo)入空三加密成果，局部編輯測圖如圖4所示。

圖4 內(nèi)業(yè)編輯立體測圖

內(nèi)業(yè)測圖主要采用全野外刺點測圖，對不符合現(xiàn)狀的地物進行野外補測，用測標(biāo)在模型上描繪。有植被覆蓋時，通過植被高度進行改正。在野外的高程點和立體模型中，樹木密集和隱蔽的地方，高程點讀兩次，讀數(shù)差為0.4m，中數(shù)標(biāo)記為0.1m。同時對獨立地物、架空管線和各級道路進行測繪。房物標(biāo)明建筑結(jié)構(gòu)和層數(shù)，植被區(qū)分為經(jīng)濟林和用材林，旱田、水田、蔬菜果園、村鎮(zhèn)、河流、大山、鐵路和管線等要清晰標(biāo)注。最終運用CASS軟件將矢量的地形圖轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的DLG地形圖。局部成果圖如圖5所示。

3.5 外業(yè)調(diào)繪及精度檢查

外業(yè)調(diào)繪是保證地形圖質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，一定要走到、看到、問到。將矢量線劃圖（DLG）套合正射影像（DOM）作為外業(yè)檢測、補測和調(diào)繪的工作底圖，嚴(yán)格按《公路勘測規(guī)范》（JTG C10—2007）、《公路勘測細(xì)則》（JTG/TC10—2007）的相關(guān)要求執(zhí)行，對航攝成圖進行實地全野外屬性調(diào)繪，并修測、補測，最后通過內(nèi)業(yè)編輯數(shù)據(jù)，以提高成圖精度。

圖5 局部成果圖

（1）DEM和DOM精度分析

按照項目要求，成圖比例尺為1∶2000，成果精度滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003—2010）要求，測區(qū)總體地形為平丘地，空三加密點精度平面中誤差為1.75m，高程為1m。經(jīng)統(tǒng)計，平面檢核點85個，高程檢核點97個，按照1∶2000比例尺DOM、DEM標(biāo)準(zhǔn)進行精度檢測，結(jié)果如表1所示。經(jīng)分析，測區(qū)DOM平面檢測點點位精度誤差最小值為0.157m，最大值為0.589m，平均值為0.346m，檢測點平面中誤差為0.452m。DEM高程檢測點點位精度誤差最小值為0.22m，最大值為0.568m，檢測點高程中誤差為0.346m。

（2）DLG精度分析

為檢驗DLG成果的可靠性，在測區(qū)不同區(qū)域采集了128個明顯地物點、276個地形點進行精度統(tǒng)計，其中地物點點位中誤差為0.482m，等高線插值的高程中誤差為0.457m，結(jié)果完全滿足《公路勘測規(guī)范》（JTG C10—2007）中1∶2000地形圖測量和公路設(shè)計要求。

表1 DOM平面精度和DEM高程精度分析結(jié)果（m）

4 結(jié)語

通過實際案例分析可知，無人機航攝技術(shù)可滿足公路帶狀1∶2000地形圖測繪的要求，提高了公路測繪的速度和精度，節(jié)約了人力、物力等成本，為公路帶狀測圖項目提供了新的解決方案，同時可更好地為大比例尺基礎(chǔ)測繪工程提供服務(wù)和保障。