地形圖測繪工作自動化中的無人機技術(shù)探析

郭 琦，游紹彥，王寶光，李亞楠

（長治職業(yè)技術(shù)學院 山西 長治 046000）

0 引言

無人機攝影測繪、遙感等新技術(shù)已被廣泛地應用于地理信息、災害監(jiān)測和測繪等領(lǐng)域。在工程測繪中，利用航測技術(shù)可以克服傳統(tǒng)的地形、天氣、人為因素等問題。在復雜的礦山、鐵路、山區(qū)等環(huán)境條件下，可以減少地形圖測繪的誤差，提高精度和工作效率。由于航空攝影技術(shù)在地形圖上的應用日益普遍，因此，在工程施工中，測繪人員必須具備專門的測繪技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，確保所獲取的數(shù)據(jù)能夠真實地反映出該地區(qū)的整體狀況，減少環(huán)境因素對地形圖數(shù)據(jù)采集的影響，保證無人機技術(shù)的科學性和有效性。

1 無人機測繪技術(shù)的影響因素分析

1.1 航線規(guī)劃

無人機的飛行高度可以保持很好地穩(wěn)定，但是在某些特定的區(qū)域，高度就會變得很低，這就導致了地面的分辨率會變得很低。如果測量范圍內(nèi)的海拔超過了一定的標準，那么畫面就會變得很模糊，這就導致了飛行路線的設(shè)計必須要考慮到地形，才能精確地計算出無人機的飛行高度。

（1）對于工程測繪任務(wù)所在地區(qū)的邊界進行明確，尤其是一些地形復雜度較高的地區(qū)，如林木密集地區(qū)、丘陵地區(qū)等，也需要注意邊界校核工作，這也是順利完成航線規(guī)劃的基礎(chǔ)保障。

（2）開展工程測繪工作時，還需要擴大數(shù)據(jù)采集范圍，這樣能夠有效避免影像變量過大的問題，提升數(shù)據(jù)整理結(jié)果的有效性。例如，找出工程測繪區(qū)域內(nèi)的中心位置，以中心點和邊界之間的距離作為航測半徑，在此基礎(chǔ)上擴大10%～30%，提升測繪結(jié)果的精準度。

（3）根據(jù)工程測繪地區(qū)的復雜性，確定該區(qū)域航測時需要重點關(guān)注的內(nèi)容，加大航測過程的記錄工作，為航測體系的持續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1.2 像控點設(shè)計

通常情況下，會借助RTK 技術(shù)、航攝像控點的分布設(shè)GPS 網(wǎng)，而航攝像控點的基準點，需要多次進行校核，以確保定位結(jié)果的準確性。而且所在位置，也需要滿足易于測繪、易于引測、不易破壞等要求，從而提升布置內(nèi)容的合理性[1]。

1.3 航測參數(shù)設(shè)計

（1）在同向上進行飛行的無人機，同向重合率需要超過60%，而旁向上進行飛行的無人機，旁向重合率需要超過30%。

（2）在航測過程中，要做好航測高度和速度控制，例如在傾斜方向進行測繪時，無人機的飛行高度必須在180 m 以上，無人機的速度必須保持在6～8 m/s 之間，同向重合率必須在80%以上，旁向重合率必須在50%以上。

1.4 測繪結(jié)果生成

完成上述工作內(nèi)容后，就開始整理測繪成果，工程測繪成果大多采用專題圖，如交通圖、總平面圖、功能分區(qū)圖等，同時還采用地形圖、數(shù)據(jù)整理表格、監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖等，提高數(shù)據(jù)整理的直觀性。以地形圖整理過程為例，在對比處理過程中，通過與初始圖形內(nèi)容進行比對，生成相應的新圖形，從而提高地形內(nèi)容變化結(jié)果的直觀性，滿足相應的使用需求。

1.5 無人機平臺影響分析

目前無人機探測技術(shù)有其優(yōu)越性，但仍有許多問題有待解決。首先，由于大多數(shù)無人機體積較小，負載較輕，容易被風吹亂，因此在空中做各種姿態(tài)轉(zhuǎn)換，交疊角度起伏較大。其次，雖然畫面不是很大，但數(shù)量卻非常龐大。無人偵察機一般采用非常規(guī)單反相機，因為成像范圍較窄，為了清晰地觀察到所有數(shù)據(jù)，研究人員可以通過調(diào)整航向和側(cè)翼來保證，這樣在探測范圍內(nèi)會出現(xiàn)更多的圖像，從而極大地阻礙了操作。這些情況都會影響測量精度，未來的無人機將會采用最新的科技手段進行改進，從而提高測試的效率和質(zhì)量，同時還可以通過專業(yè)的程序保證數(shù)據(jù)的準確性，避免無人駕駛系統(tǒng)對測量結(jié)果的準確性造成負面影響。

1.6 無人機飛行時間的影響

無人機飛行時間的選擇要綜合考慮環(huán)境條件、天氣變化和太陽高度等因素，盡可能地選擇最佳的飛行季節(jié)，盡可能地減少地面覆蓋結(jié)構(gòu)對拍攝效果的負面影響，同時還要保證充足的光照。如果這片區(qū)域內(nèi)的高層建筑比較密集，或者是高度比較高的話，那么在下午兩點的時候就可以起飛了。

1.7 攝像設(shè)備的影響

相機本身的像素狀況與影像品質(zhì)有很大的關(guān)系，像素愈大，影像愈清晰，反之，像素愈低，影像愈模糊。因此，在進行無人機飛行的過程中，必須要考慮到攝像機像素，才能保證拍攝的質(zhì)量和效果。攝像機的聚焦曝光時間和圖像的清晰度有著很大的關(guān)系，在正式的航測之前，要根據(jù)具體的情況調(diào)整攝像機的對焦和曝光時間，在惡劣的環(huán)境下，應該盡量地延長曝光時間，提高圖像清晰度。攝像裝置本身的畸變也會影響到影像的清晰度，因此在測量前，一定要對影像進行精確的校正。

2 無人機航空攝影測繪技術(shù)關(guān)鍵工藝

2.1 DOM 工藝

DOM 處理的主要用途是在無人機航測完成后，采集各階段的數(shù)字影像數(shù)據(jù)，將其與標準數(shù)據(jù)對比分析，以校正失真，提高測繪準確度。DOM 技術(shù)也是通過在低空拍攝時，通過內(nèi)部定向、相對定向、絕對定向三種方式進行定向，然后進行正射、拼接，獲得DOM 的最終效果。該工藝的具體流程如圖1所示。

圖1 DOM 技術(shù)工藝示意圖

2.2 空中三角測繪技術(shù)

空三加密經(jīng)過像點連接、像控點量測、平差運算等過程，實現(xiàn)了空間三碼的自動產(chǎn)生。在確認外部控制室的檔案及攝像機檔案正確后，就可進行外部控制點的測繪。外部控制點的測繪是有專門的人和其他專家進行的。通常在進行空中三角測繪技術(shù)時添加了外部高程散點法。

2.3 數(shù)字劃線圖技術(shù)

數(shù)字劃線圖技術(shù)是在全數(shù)碼照相測繪的基礎(chǔ)上，對各測繪點進行一系列的測繪和計算，并將其與特定的功能相結(jié)合，從而達到測繪的目的。首先要確保測繪精度，并建立相應的數(shù)學模型，以確保數(shù)字化線路的繪制質(zhì)量。

3 無人機測繪技術(shù)的應用實例

3.1 無人機測繪技術(shù)應用實例

針對地形、地物、居住區(qū)等復雜通視條件較差的地區(qū)，無人機全站儀對地形圖進行測繪。研究內(nèi)容包括前期準備、外業(yè)航測、像控點測繪、內(nèi)業(yè)成圖、外業(yè)調(diào)繪五個步驟。

在前期籌備階段，**鎮(zhèn)屬于黃土丘陵地形、黃土溝、梁、住宅區(qū)，工廠的平均海拔1150 m，最高1 190 m，最低1 107 m。為滿足精度需求，此次試飛計劃選用F200 型全畫幅SonyRX1RII 微型相機，其平面分辨率為7 cm，高度重疊80%，側(cè)面重疊60%。

3.2 無人機航攝像控點的布設(shè)作業(yè)

在無人機航測時，航攝像控點測量需要滿足兩方面要求：一是數(shù)量和精度，二是目標影像應當定位清晰。無人機測繪攝影技術(shù)具有飛行高度較低、較慢的特點，容易受到大氣升力和風力的影響，產(chǎn)生不均勻的重疊，因此，航攝像控點的設(shè)置和測繪提出如下要求：

在空三加密中，航攝像控點分布為平面點、高程點、高程檢查點三大類。這一工作重點是平面點，一些是檢查點，其布置要遵守原則：航攝像控點布設(shè)要在整個測區(qū)均勻分布，并布置在容易發(fā)現(xiàn)和辨認的地方，盡可能布置在地面上，比如在公路交匯處，在色彩劃分清晰的地方，方便準確定位；如谷歌圖像之類的現(xiàn)有圖像來確定有沒有較差的區(qū)域，比如森林或玉米田，這些區(qū)域應該在無人機起飛前噴灑石灰或其他可辨認的標記[2]。

F200 利用GPS 的PPK 后差動技術(shù)，能有效地降低航攝像控點的布設(shè)誤差，本次任務(wù)共布設(shè)了12 個測繪點，8個是基礎(chǔ)航攝像控點，4 個是檢查點。航攝像控點坐標的精確與否直接關(guān)系到整個測區(qū)的絕對定向精度，因此，在航攝像控點的測繪中，一定要使圓氣泡居中，并多次進行平差的測繪。此次以RTK 測繪3 次后的平均值為比較精確的坐標。

所選擇的影像控制點，應使影像清晰、易于辨認，尤其是影像邊緣的影像，必須清晰、準確，不能有任何異議，要有清晰的記號，例如：建筑朝向應注明是在東南方向，或在西北方向。

3.3 飛行實施

要全面、良好地開展航空三角測繪，必須確定測繪流程。遙感影像的高精度合成、平差等多種方法被用于航空三角測繪。在起飛前，要架設(shè)一個基站?；究梢约茉O(shè)在已知的位置上，如果沒有，就用RTK 來測繪。表1顯示了F200 的飛行攝影參數(shù)：

表1 F200 航攝參數(shù)統(tǒng)計表

在飛行過程中，所有的飛行參數(shù)都是正常的，飛行時的速度基本保持在60 km/h，保持平穩(wěn)的飛行姿勢，滾轉(zhuǎn)和俯仰角偏離不超過5°?！兜涂諗?shù)字航空攝影規(guī)范》規(guī)定，在CH/Z 3005-2010 中，相片傾斜度一般不超過5°，最大不超過12°，超過8°的片數(shù)不多于10%；在保證相片旋角不超過15°的情況下，單個旋轉(zhuǎn)角度不能超過30°，而在同一航線上，旋轉(zhuǎn)角度大于20°的圖像不能多于3個，旋轉(zhuǎn)角度超過15°的圖像數(shù)量不能超過10%[3]。

3.4 空三處理

空三加密是指以地面上的少量控制點為基礎(chǔ)，利用空間三碼對重疊圖像進行測繪。根據(jù)無人機測繪的基本原理，采用解析法對相片外部的方向元和加密點進行了求解。該測試采用了無人機管家2.0，并輸出精度報告，點云、DEM、DOM，空三影像結(jié)果及無失真圖像。利用VirtuoZo系統(tǒng)實現(xiàn)了空中三角測量，實現(xiàn)了對加密點的選擇、節(jié)點加密和模型的聯(lián)結(jié)。通過PATB，可以實現(xiàn)誤差的粗差和誤差計算，提高了測量精度。由于此次無人機是低姿態(tài)拍攝，所以全部加密點的選擇均由手工進行，因而在某種意義上加大了內(nèi)部作業(yè)的難度。在整個測繪工作中，三邊形技術(shù)的應用是關(guān)鍵，它決定了最后的測量結(jié)果和地圖的精度。同時，根據(jù)航攝像控點的平面定位誤差，應及時調(diào)整定位，使其達到最大程度上的精度和合理性。

3.5 立體測圖

在進行了三次空中三角測繪工作后，將測量數(shù)據(jù)導入VirtuoZo 站點，形成三維模型和線段影像，進行圖像匹配、編輯和繪制線路圖?；贒LG 的三維DLG 資料，產(chǎn)生DEM資料，完成DOM。最后，根據(jù)1：2 000 地圖的實際測量結(jié)果進行綜合調(diào)整，保證了整個測量精度的最大化，提高了有關(guān)資料的準確率和及時性。利用空間前景軟件建立三維圖像，實現(xiàn)三維采編。本系統(tǒng)無須預先采集地形圖區(qū)域核線，可根據(jù)圖像重疊程度及外部方向要素不同，自動組合立體像對，生成最佳交叉角，提高地形圖高程精度；同時支持立體模型自動/人工轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)無縫銜接，減少邊工和立體模型的選擇，提高了工作效率。完成外業(yè)調(diào)繪工作后，利用無人機采集到的地形圖進行整理[4]。根據(jù)圖式中的符號、字體、字體大小，結(jié)合外業(yè)調(diào)研結(jié)果進行分級、分色，形成最終結(jié)果。

3.6 精度檢測

無人機管家智能拼圖的空三成果，通過DOM 成果的精度檢驗，檢驗其是否符合1:1 000 地形圖測繪要求。

（1）控制點空三精度

在整個航測過程中，空三的精度直接影響到最終成圖的精度?？杖荣|(zhì)量檢查一般通過空三解算報告和立體采集檢查點來完成[5]。

（2）DOM 精度檢驗

將控制點、檢查點與DOM 套在一起，對DOM 精度進行檢驗，以確定1:1 000 DOM 影像精度是否滿足要求。

（3）采用GPS 實時動態(tài)測繪，采用800 多個隨機測繪點作為地形圖繪制過程中的檢查點，經(jīng)檢驗，大部分平面位置誤差小于5 cm，高程誤差不超過0.15 m，精度滿足規(guī)范要求。

4 無人機低空地形圖測繪發(fā)展方向

第一，對地形圖控制是有序的。隨著地圖的不斷完善，低空無人機拍攝技術(shù)的推廣也日益普及，該技術(shù)的有序發(fā)展，使圖像的精度提高。在已有的測圖技術(shù)指導下，有序的測量控制技術(shù)應完成轉(zhuǎn)換，在導航系統(tǒng)的約束條件下，將其用于精細劃分，并在主觀條件與客觀條件許可的前提下，攝影時間進行設(shè)定，做好控制點的精確位置[6]。

第二，采用智能化的變形監(jiān)控技術(shù)。在信息技術(shù)快速發(fā)展的支撐下，利用無人機進行低地飛行測量，可以將各種不同的測繪技術(shù)和應用技術(shù)融合在一起，從而達到對地面形體的智能化監(jiān)控。當變形監(jiān)控記錄偏差超過一定的限度時，數(shù)據(jù)處理中心將會進行相應的回應，協(xié)助技術(shù)人員結(jié)合實際狀況，制定有效的解決辦法[7]。

第三，地圖數(shù)據(jù)的抽取。無人機低空成像測量具有廣闊的應用前景，利用計算機圖像測量與遙感技術(shù)與其他傳感器緊密聯(lián)系，利用高分辨率移動攝影掃描儀、高分辨率遙感影像進行目標云測量、城市建筑測繪POS 等，可將這些數(shù)據(jù)存儲在單一坐標系統(tǒng)中。利用相關(guān)攝影與遙感技術(shù)，對點云特征點的構(gòu)造進行逐行判定，確定三維點的特征點，進行色彩繪制與數(shù)據(jù)采集[8]。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機航攝測量技術(shù)在地面測繪行業(yè)的發(fā)展中有著舉足輕重的地位，提高了資料的準確度和及時性。在實際運用中，應繼續(xù)加大無人機航拍技術(shù)在地形圖測繪的研發(fā)力度，針對目前地圖繪制中出現(xiàn)的問題，能夠使這些問題進行針對性的處理，從而提高測量資料的精確度和技術(shù)運用的有效性。