無人機航空攝影測量技術在地形測繪中的應用

吳枚哲

（四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610072）

近些年來，在地形測繪中，無人機技術逐漸替代了載人飛機攝影，形成由無人機+高清攝像機構成的測量模式。相關理論與實踐表明，該模式既可降低測繪的成本與難度，又可提升測繪的精度，具有良好的應用效果與前景。

1 無人機航空攝影測量技術的應用優(yōu)勢與誤差來源

1.1 應用優(yōu)勢

無人機航空攝影測量技術，即無人機與航空攝影測量有效結合的技術，為航空遙感開創(chuàng)出一個新的發(fā)展方向—無人機數(shù)字低空遙感，可廣泛應用于多個領域，如基礎測繪、國家工程建設、數(shù)字化城市建設、國土監(jiān)察、災害應急處理等，具有以下4 種優(yōu)勢。

1.1.1 具有較強的數(shù)字響應能力

無人機一般是低空飛行，受不良天氣的影響極小，所以可對數(shù)據(jù)保持良好的響應力，同時無人機航空攝影測量模式中的數(shù)據(jù)是實時傳輸?shù)?，可在地形測繪中，獲取大面積的測量數(shù)據(jù)。

1.1.2 提升地形測繪整體的精確度

無人機航攝過程中，傳送的測繪信息精度高，可以將數(shù)字圖像轉化成三維正攝影像圖，有些甚至可轉化為三維可視化影像，實現(xiàn)無人機、航空測繪、遙感等的結合，繼而提升地形測繪整體的精確度[1]。

1.1.3 具有更強靈活機動性

主要體現(xiàn)在3 個方面。1）無人機內裝有高精度數(shù)碼攝像設備，可從垂直、傾斜2 個方向拍攝測量區(qū)域，且升降不需要在專業(yè)區(qū)域內實現(xiàn)。2）無人機可在預設的飛機航線的基礎上，實現(xiàn)自動分型。3）可一次設置多個地形測量航拍點，全面采集航拍點的數(shù)據(jù)，并及時上傳相應的地形情況，實現(xiàn)高效工作。

1.1.4 具有明顯的經濟效益

主要體現(xiàn)在2 個方面。1）無人機測繪技術的成本相對較低，又融入了多種先進技術，如通信技術、網絡技術、計算機軟件技術等，可提升地理信息的獲取效率。2）無人機測繪周期較短。

1.2 誤差來源

無人機常見誤差來源包括儀器誤差、人工誤差、氣候及其他外界因素誤差等。首先，儀器誤差產生的主要原因包括儀器本身的設計與制作較差、檢驗校正不良等，其中又以傳感器量化系統(tǒng)誤差最為典型。其次，人為誤差產生的原因包括人感官鑒別有限、技術水平較低、工作態(tài)度不端正、像控識別、空三測量、數(shù)據(jù)采集等。最后，氣候及其他外界因素誤差產生的原因是天氣會對飛行器姿態(tài)與成像質量產生影響[2]。上述誤差均會對地形測繪結果精度產生消極影響，應在具體施工中對其進行有效糾正與避免。

2 工程概況與方案設計

2.1 案例

該公司受一房地產開發(fā)公司委托，測量與繪制面積為3 km2的1 ∶2 000 數(shù)字線劃地圖（DLG）。該地位于該市東南部，平均海拔500 m，屬丘陵山地地帶。經分析，利用一般外業(yè)測繪法較為困難，且工期較長、成本較高，所以選擇無人機航空攝影測量技術對該地點的地形圖進行測繪。

2.2 方案設計

對該項目的實際情況進行分析后，選擇使用成都縱橫CW-10 無人機+索尼7RII 相機進行測繪活動。由于無人機測量會受到風速、光線等影響，因此，選擇風速較小、光線良好的下午進行航空測量。之后，測繪人員憑借長期的測繪經驗、過硬的理論知識，對無人機整體航測方案進行了設計。有關測繪人員要做到以下4 點。1）通過文件查閱、實地勘察、網上搜索、調研等，了解測繪區(qū)的地形地貌特征，全面分析測繪區(qū)的具體情況，劃分無人機飛行分區(qū)，設計飛機航線圖。2）將飛機高度、航攝方向等全部相關信息準確無誤、清晰細致地標注在飛行圖紙上。3）按照測量區(qū)的大小與地形、地形圖要求信息、當?shù)乜刂泣c情況等設計航測控制點，確保實現(xiàn)全覆蓋航攝。4）布設像控點時要考慮不同影像的結合點，并設置必要的檢查測點。通過上述措施，確保無人機航攝能夠順利完成。

作業(yè)時，共采用4 架無人機，最大飛行速度80 km/h，相對航高500 m，共有6 條飛行航線，航飛面積覆蓋3 km2，最終獲得了423 張航空影像?？傮w來看，影像色彩清晰、均勻且色調正常。

3 無人機航空攝影測量技術在地形測繪中的應用

3.1 外業(yè)測量

無人機航攝路線確定后，需要將重點放在航攝控制測量上。就該區(qū)域情況而言，測繪人員一般要先將具體測量區(qū)域分為不同網區(qū)，并在2 條及以上航線處布設平高點，像控點距離不超過4 條航線。此外，為了很好地控制像素點，應用CPS 與RTK 結合的技術測量控制點，且由于測繪區(qū)地形較復雜，所以要對高程空點平面坐標進行測量，同時還應用華測航測數(shù)據(jù)軟件實現(xiàn)空三測量加密。

像控點布設要求有2 點。1）以平高點、基線為基礎進行區(qū)域網布設，一般而言，基線數(shù)量為4 條或6 條以上（針對偏遠地區(qū)），偏遠地區(qū)還應設置2 條以上旁向跨度基線，如果測繪區(qū)域不規(guī)則，則還應在拐角區(qū)域內布設平高點。2）起算點與監(jiān)測點大多為D 級與E 級GPS 控制點，測繪過程中工作人員要靈活、合規(guī)應用不同設備。

加密點布設要點有3 點。1）加密點一般要位于測量區(qū)較突出的位置，如田坎、林間空地、房角、道路邊角等，自由邊處要將點選擇在測量范圍外。2）專門標記各加密點的距離，在比例尺為1 ∶10 000 的地形圖中，加密點的距離至少為1 mm。3）對山谷、河道等區(qū)域進行測繪時，要提高航測節(jié)點標高差，在平坦地突然變?yōu)樯仙降靥帲肯駥υ黾蛹用茳c1～2 個，以免影響相對定向，穩(wěn)定測繪活動[3]。加密點布設完后，便可進行空三測量，測繪工作人員要科學控制航測像素精度，大多采用1/3 或2/3 像素，并視實際狀況將影響精度調控至1/2 像素。

誤差消除：數(shù)碼影像會受傳感器有關因素的影響而存在畸變差，如感光單元、物理鏡頭等，進而影響測量成果的精度，使其不能滿足對應工程的要求，對此可通過建立相應畸變數(shù)字模型進行糾正，從而獲得可量化影像。攝影比例尺分母與航高須經過2 步才能得到，先以成圖比例尺為依據(jù)，得到實際地面分辨率，再以鑒定焦距為依據(jù)，得到這2 個參數(shù)，實際地面分辨率確定后，通過合理確定相機攝影設置方式，以控制高程的采集精度。

該項目中，無人機航空飛行的高度為700 m，共有2 架次飛機，27 條航線，航程共計320 km，時長3 h，總共拍攝照片2 200 張。

3.2 內業(yè)處理

該項目所應用的主要內業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件為ContextCapture，處理時，內業(yè)人員遵循“所見即所得”原則，并構建加密成果模型，實現(xiàn)全要素采集、匹配與模型編輯等，初步完成測繪目標?？杖用芄ば驗榧用軠蕚洹鷥榷ㄏ颉鄬Χㄏ颉^對定向，形成成果并上交。利用航攝儀鑒定資料，如焦距、像素大小與行列數(shù)、像素值參考位置等進行內定向。相對定向中，連接點上下視差中誤差＜1/3 像素，連接點上下視差最大殘差＜2/3 像素，特別困難地區(qū)或資料放寬至1/2 像素，對比原航攝資料，以該次航攝區(qū)域當中所收集的顯著地物點坐標作為像控點數(shù)據(jù)，運用inpho 軟件完成控三的加密工作，同時將其制作成DOM 成果。如圖1 所示。

3.3 補充測繪

經分析，由于初次測繪未能全面達到測量目的，因此需要進行補充測繪。測繪人員先以DLG 為基礎得到全要素野外調繪圖，明確補測、修測小區(qū)域，有針對性地進行補充外業(yè)測繪，補充時，僅需對疏漏、遺漏、錯誤部分進行分析。補修測完成后，利用CASS10.0 及其他相關軟件，經過編輯整飾，制作最后的測繪成果。

外業(yè)補測時，工作人員要做到以下3 點。1）應對所測區(qū)域的實際情況進行細致甄別，對各區(qū)域補測難度與隱蔽性進行評估，如果補測難度大、區(qū)域較隱蔽，則應當人工補測。2）要精準核驗無人機測繪內容，最好將較小的測量區(qū)域作為航拍測量的校核內容，謹慎避免可能誤差。3）外業(yè)補測要建立在先前測量的基礎上，具有一定目的性，實現(xiàn)補測結果與先前結果的良好對接，保證測繪效率與精度[4]。

圖1 DOM 局部效果圖

3.4 精度分析

分析與調整圖像誤差的時候，可以按照表1 數(shù)據(jù)進行處理，確保最終結果的精準度。

表1 基本定向點殘差、檢查點誤差、公共點較差最大值

測繪完成后，要對測量結果進行精度測量。該工程以HBCORS 網絡RTK 野外實測法檢查成果圖精度，對30%的外業(yè)調繪圖進行實地檢測，最終對56 各個明顯地物點，進行圖上坐標與實地坐標比對，統(tǒng)計田坎交叉點、山頂、道路交叉點、房角4 個類型的高程精度與平面精度，具體見表2。經檢驗及進一步誤差改正，發(fā)現(xiàn)測繪結果的坐標誤差、高程誤差均在允許范圍內。對國家行業(yè)文件進行分析后，得出測繪圖信息內容與實地狀況的對照性良好，且測繪圖要點清晰、信息全面。

表2 測量結果精度統(tǒng)計

在對作業(yè)工程量完成核算并檢查完成工程質量之后，要重點標記存在問題的工程，將DOM 成果、DLG 成果和竣工圖成果以及影響成果等導入系統(tǒng)平臺中，完成對試驗地域的驗收和復核工作，通過運用系統(tǒng)平臺完成實時定位，對需要復核的工程精準查找，實現(xiàn)無紙化作業(yè)。

4 結語

精度是地形測繪圖的靈魂，無論采用哪種設備、哪種測量方式進行地形測繪，都要將精度作為第一關注點。無人機航空攝影測量是先進的測繪方式，本身就具有很好的可靠性，主要包括像控點布設、空三測量、數(shù)字化測繪、外業(yè)補測等多個應用流程，同時也包括不同測量誤差，有些誤差可通過一定的數(shù)理公式進行糾正，有些誤差則需要依靠測繪人員的謹慎操作進行控制。具體施工過程中，測繪人員要合理、正確應用無人機航空攝影測量技術，并科學糾正誤差，嚴格謹慎操作，以此來提高地形測繪圖的精度。