無人機航空攝影測量大比例尺地形圖方法探討

劉建興 樂美燕

（江西省核工業(yè)地質調查院，江西 南昌 330038）

1 引言

大比例尺地形圖測量是城市規(guī)劃設計的基礎工作，其成果數據是城市建設的基礎資料，為政府決策、城市建設、規(guī)劃設計提供依據，對我國城鎮(zhèn)化建設有著舉足輕重的作用。隨著航空航天的快速發(fā)展，無人機航空攝影技術在測繪領域也得到廣泛應用，其機動靈活、操作簡便、快速高效的優(yōu)點獲得測繪行業(yè)的青睞[1]。本文以江西省蓮花縣全域1∶1000 比例尺地形圖測繪為例，通過實施生產，獲取了滿足精度要求的地形圖成果，對其施測方法予以分析和探討。

2 實驗區(qū)概述

蓮花縣全域1∶1000 比例尺地形圖測繪項目于2017 年1 月進場作業(yè)，歷經外業(yè)航飛、像控測量、內業(yè)空三及測圖、外業(yè)調繪與補測等工作，8 月底結束所有工作任務，共完成1070 平方公里范圍1∶1000 航測數字化成圖工作。因時間緊、任務急，項目采用低空無人機航空攝影系統開展航空攝影作業(yè)，確保在較短時間內獲取項目范圍內高精度航空攝影影像。

3 無人機航空攝影測量

無人機的快速發(fā)展，使其在各行各業(yè)都受到用戶的青睞，特別對航空攝影測量進行了很好的補充和拓展，無人機航測的應用范圍也越來越廣泛。在地形測量中，無人機航空攝影測量技術憑借便攜靈活、高效快速、生產周期短等特點，能夠快速獲取大比例尺地形圖。同時，在保證產品高精度的基礎上，極大減少了外業(yè)作業(yè)量，節(jié)約了人力、物力、財力。

項目以蓮花縣為測區(qū)，設定飛行路線進行航空拍攝，以及像控點的布設、測量與整理。利用數字攝影測量系統進行全自動空中三角測量，生成加密成果。然后，在此加密成果上生成DEM、DOM 產品，最后進行立體測圖和外業(yè)調繪，生成最終地形圖。無人機航空攝影測量作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 無人機航空攝影測量作業(yè)流程

3.1 航攝平臺及航線設計

本次航攝采用大白2 無人機平臺，搭載NIKON D800相機和UP30型飛控系統，搭配地面站控制系統（如圖2 所示）開展無人機航空攝影測量數據采集。

圖2 航攝平臺設備

無人機機長2.2m，翼展2.8m，任務載荷10kg，續(xù)航3 小時，支持滑跑、彈射等起飛方式，可隨時隨地起飛；NIKON D800 相機有效像素3600 萬，相機焦距35mm，相機鏡頭經有檢測資質部門檢核后，能滿足測繪工作需求，航攝能獲取高分辨率影像，已在航空攝影測繪工作中普遍應用。

為了滿足1∶1000DOM 制作及航測成圖精度，無人機飛行的絕對高度預設為300 米，相對飛行高度設置為260 米，航向重疊為80%，旁向重疊為40%，旋偏角不大于8°，最大值不超過10°，傾角不大于2°，最大值不超過4°，具體參數如表1 所示。

表1 航線設計參數

3.2 像控點測量

像控點應選取在像片重疊區(qū)域，距像片邊緣不得小于1.5cm，且容易識別的位置。像控點平面坐標采用JXCORS 測量，像控點高程測量采用GPS 二次曲面擬合高程方法測定，由測區(qū)內的C 級GPS 控制點三維坐標求得轉換參數，在測量系統內實時擬合改正。像控點坐標成果必須在固定解狀態(tài)下觀測兩次以上，并取平均值作為最終像控點坐標數據，保證像控點測量成果精度均符合1∶1000 成圖精度要求。

3.3 空三加密

利用GodWork/INPHO 系統的自動空三加密模塊，將外業(yè)原始影像、航攝參數、控制點等數據導入系統，得到外方位元素和空三加密成果。其中利用光束法區(qū)域網整體平差法進行平差[2]，利用檢查點對平差結果進行精度檢驗，最終得到的空三像點精度優(yōu)于2/3 個像素，成圖精度滿足1∶1000DOM 精度。

3.4 DOM/DEM 生成

在GodWork/INPHO 系統中，導入空三成果恢復立體模型，利用自動匹配功能生成高精度DSM，并設置參數進行保留山體、去除房屋、提取水域等操作，同時導入采集的特征點、線文件，對DSM 進行修正得到反映地面特征的DTM 數據；對模型DTM 進行編輯及自動拼接生產作業(yè)區(qū)域DEM 數據。利用DEM 成果對原始影像進行正射糾正，通過自動生成的鑲嵌線對測區(qū)的模型正射影像進行無縫拼接，之后對測區(qū)不同的DOM進行色彩均衡處理，最終依據項目需求對數據進行分幅裁切修飾[3]，形成標準分幅的DOM 數字化產品，如圖3 所示。

圖3 DOM圖形成果

3.5 數字立體測圖

數字立體測圖主要由適普攝影測量工作站完成。首先將GodWork/INPHO 工作站空三加密成果導入，進行測區(qū)重建。然后設定正確的影像參數進行立體測圖。地形圖數字采集的相對定向采用全數字攝影測量工作站自動完成，絕對定向采用空三加密數據導入的方式，避免了機械儀器和人的誤差。之后將雙線道路、水系和高程點等數據分層導入適普采集系統，再導出為DXF 后統一按照編碼與南方CASS10.1 的分層編碼對應關系進行批量轉換。轉換后，對坎線等有向線型進行檢核。最后，將初步DLG 成果與正射影像套合輸出，形成外業(yè)調繪工作底圖，如圖4 所示。

圖4 DLG圖形成果

4 外業(yè)調繪與補測

外業(yè)工作人員利用內業(yè)輸出的調繪底圖進行實地調繪與補測，并對內業(yè)采集成果的數學精度進行檢測。重點對隱蔽地物、新增地物、遺漏地物和航攝后拆除的地物進行實地檢查、補測 ；對地理名稱（如村莊名、單位名稱、工廠名等）進行調查注記；實地調查完善各等級行政界線位置。 精度檢測應均勻選擇抽樣點位，保證測區(qū)成果精度的準確度和完整性。完成外業(yè)工作后，內業(yè)人員根據外業(yè)調繪內容和補測數據，編輯完善地形圖，形成最終DLG 成果圖。

4.1 工作方法

外業(yè)調繪和補測前，應對航攝采集的數據進行野外精度檢測，包括平面絕對精度和相對精度。根據航攝工作底圖，全面查清隱蔽和底圖上缺失的地物，調查地名村名，量測檐廊寬度，對新增或遺漏地物進行補測，以周邊明顯規(guī)則地物為參照，利用鋼尺或測距儀進行距離交會等方法施測，實地無法量距定位的地物需采用全站儀極坐標法或RTK 測量法進行測繪，以保證圖面與實地相符，確保圖形精度。對航攝后拆除或漏攝的地方，均應在調繪工作底圖上標注明顯刪除符號或補測記錄，所有內業(yè)判讀存在疑慮之處，外業(yè)人員必須現場核實，并對核實情況作出說明補充，以便內業(yè)人員修改編輯，保證圖形精度和完整性。

外業(yè)調繪與補測的所有地物地貌符號均按《國家基本比例尺地圖圖式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2017）規(guī)定執(zhí)行，若無規(guī)定符號的地物地貌則以文字加以說明。根據外業(yè)調繪和補測數據，在航測內業(yè)采集數據源的基礎上對各類信息進行修改補充，最終形成數字線劃圖。

4.2 注意事項

獨立地物要以地物中心點采集，并賦予相應符號表示， 圍墻、柵欄等線狀地物要判讀準位置和方向關系 ；水系設施要標注水流方向，水涯線以航攝時水位測定，河流、溝渠應保證其延續(xù)性，在與其他地物相會時注意取舍關系，遇重大庫壩應標注壩體材料；交通設施要準確標繪出邊界，橋墩、涵洞、路基等需測繪并標注面與底高程；管線走向要明確，取舍要合理，特別對電力線要分清電壓強度，共線桿取高一級符號表示；地貌采集要用測標切準模型描繪，宜先測注記點高程，等高線走向合理，坎上坎下需測注高程 ；文字、符號間不能有壓蓋，邏輯關系要正確，線型地物應做線型規(guī)范化，不應打碎，應為線型解釋時生成的狀態(tài)；各種性質注記應放置在其范圍居中位置；植被、水田、旱地等面狀地物必須呈封閉狀態(tài)，符號填充以軟件生成或美觀為準；每幅圖都必須均勻實測一定數量的高程點，并盡可能施測在內業(yè)標注高程相同位置，便于內業(yè)檢核與糾正；圖形接邊必須保證地物要素的位置關系、邏輯關系和屬性，不允許強制接邊以致地形地貌精度丟失。

5 成果精度評定

為驗證無人機航空攝影測量大比例尺地形圖的數學精度，在測區(qū)均勻選取200 個明顯特征地物地貌點，利用JXCORS 系統或全站儀極坐標法對所選點位的平位精度和高程精度進行實地測量，再對實測數據與無人機航空攝影成果圖解數據進行對比，得出實測坐標與圖解坐標之間的誤差值，即可驗證出無人機航空攝影測量地形圖成果的精度。計算結果如表2 所示，其中ΔX/cm、ΔY/cm 為平面坐標差值，ΔZ/cm 高程差值。

表2 地形地貌點位誤差統計

對比可知，所抽樣的地物地貌特征點平面位置中誤差為45cm ，其中最小誤差為15cm，最大誤差為86cm；高程中誤差為42cm，其中最小誤差為18cm，最大誤差為77cm。本次無人機航空攝影測量大比例尺地形圖成果精度滿足《基礎地理信息數字成果1∶500、1∶1000、1∶2000 數字線劃圖》（CH/T 9008.1-2010）中1∶1000 地形圖精度要求[4]。

6 結束語

本文利用無人機航空攝影測量獲取源數據，輔以像控測量和空三加密，生成DOM 圖形，利用測量工作站處理數據，導出數字線劃圖，并將之作為工作底圖進行外業(yè)調繪與補測，進而編制大比例尺地形圖。通過實施蓮花縣全域1∶1000 比例尺地形圖測繪任務，驗證了本方法操作可行，數學精度可靠，減少了人力、物力，節(jié)省了經濟成本，提高了工作效率，能快速高效地為政府決策、城市建設、規(guī)劃設計提供服務。