輕小型無(wú)人機(jī)城區(qū)1:500地形圖測(cè)繪技術(shù)分析

【摘要】隨著測(cè)量測(cè)繪技術(shù)的蓬勃發(fā)展，無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，尤其在精度要求較高的地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中?；诖?，為提高地形圖測(cè)量測(cè)繪質(zhì)量與效率，文中簡(jiǎn)單介紹無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合實(shí)例分析城區(qū)1：500地形圖測(cè)繪中此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用流程，梳理測(cè)繪要點(diǎn)，并對(duì)技術(shù)流程和地形圖成果精度進(jìn)行了驗(yàn)證分析，以期促進(jìn)測(cè)繪技術(shù)更新，節(jié)約測(cè)量成本的同時(shí)，快速更新城區(qū)地形區(qū)。

【關(guān)鍵詞】地形圖；無(wú)人機(jī)測(cè)量；城區(qū)測(cè)繪

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU198" " " 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）03-0116-03

0 引言

輕小型無(wú)人機(jī)測(cè)量精度高，使用便利，故在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用愈發(fā)常見(jiàn)。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)合理應(yīng)用下，可有效減少測(cè)量誤差，同時(shí)能夠從多個(gè)角度采集帶有空間信息的真實(shí)影像，適用于較多測(cè)量測(cè)繪場(chǎng)景。因此，為充分發(fā)揮傾斜攝影測(cè)量技術(shù)功能作用，同步生成地形圖，實(shí)時(shí)更新測(cè)量動(dòng)態(tài)，分析技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)是必要的。

1 無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)測(cè)量以“無(wú)人機(jī)+遙感設(shè)備”模式為主，可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)高效率采集，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)，選擇多個(gè)拍攝測(cè)量角度，確保測(cè)量數(shù)據(jù)全面、完整。無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)具有重疊度高、盲區(qū)少的特征優(yōu)勢(shì)，通過(guò)將其應(yīng)用于城區(qū)測(cè)繪工作中，結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等相關(guān)軟件，能夠?qū)⒌玫降臏y(cè)量結(jié)果以可視化三維模型的方式呈現(xiàn)出來(lái)，直觀呈現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域地理信息，從而為城區(qū)規(guī)劃、地籍測(cè)繪等提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持。一般情況下，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)續(xù)航時(shí)間在30min左右，但由于其測(cè)量效率較高，即便面對(duì)大區(qū)域測(cè)量任務(wù)，也能夠保證測(cè)量測(cè)繪成果的理想性。借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采集到的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給工作人員，一方面改善以往測(cè)繪資料的滯后性，另一方面可高效開(kāi)展各項(xiàng)工作，降低人力、時(shí)間等成本。由此可見(jiàn)，基于測(cè)量測(cè)繪的無(wú)人機(jī)技術(shù)具有高真實(shí)性、高性?xún)r(jià)比、高效率等技術(shù)特點(diǎn)[1]。

2 分析輕小型無(wú)人機(jī)城區(qū)1：500地形圖測(cè)繪技術(shù)

對(duì)于大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目，其對(duì)精度往往具有較高要求，雖然以往的全野外數(shù)字測(cè)繪也能夠完成此項(xiàng)工作，但需要投入大量時(shí)間、人力等資源，測(cè)量測(cè)繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、作業(yè)壓力也相對(duì)較大。因此，為優(yōu)化大比例尺地形圖測(cè)繪技術(shù)流程，提高作業(yè)效率與質(zhì)量，可運(yùn)用輕小型無(wú)人機(jī)開(kāi)展測(cè)繪工作。文中引入具體案例，以期強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)梳理與驗(yàn)證。

2.1 項(xiàng)目實(shí)例

以縣老城區(qū)更新改造項(xiàng)目為例，為豐富測(cè)繪資源，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，面對(duì)面積11.7km2的工程設(shè)計(jì)落實(shí)1：500無(wú)人機(jī)傾斜攝影地形圖測(cè)繪項(xiàng)目，具有時(shí)間緊、任務(wù)重的特點(diǎn)。

2.2 技術(shù)流程

根據(jù)大比例尺制圖需求，本次案例中選擇輕小型無(wú)人機(jī)開(kāi)展傾斜攝影測(cè)量工作，由于測(cè)量測(cè)繪規(guī)模不大，技術(shù)方案如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集

使用輕小型無(wú)人機(jī)技術(shù)開(kāi)展大比例尺地形圖測(cè)量測(cè)繪工作時(shí)，外業(yè)數(shù)據(jù)采集首要任務(wù)是根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確認(rèn)航線(xiàn)規(guī)劃與參數(shù)。本次案例項(xiàng)目中，輕小型無(wú)人機(jī)比一般無(wú)人機(jī)的測(cè)量測(cè)繪操作更為簡(jiǎn)單，其自帶的攝像機(jī)具有實(shí)時(shí)同步和無(wú)用戶(hù)校準(zhǔn)功能，適用于密集建成的城市和地形復(fù)雜的區(qū)域。雖然其價(jià)格便宜，但通過(guò)優(yōu)選無(wú)人機(jī)品牌與機(jī)型，能夠在測(cè)量測(cè)繪過(guò)程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定攝影測(cè)量，在靈活的功能操控系統(tǒng)下，可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)調(diào)控。而且，其所搭載的GPS/GLONASS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與傳輸提供穩(wěn)定支持。但是不可否認(rèn)的是，此類(lèi)無(wú)人機(jī)荷載相對(duì)較小，其搭載的相機(jī)數(shù)量與規(guī)格有限，常用相機(jī)為單鏡頭相機(jī)。在本次案例工程中，為使這一技術(shù)方案達(dá)到傾斜攝影測(cè)量的五鏡頭的測(cè)量效果，測(cè)量測(cè)繪人員可以從飛行方式入手調(diào)整。在其飛行攝影測(cè)量過(guò)程中，相關(guān)測(cè)量測(cè)繪人員可通過(guò)圖像實(shí)時(shí)傳輸檢查飛行過(guò)程中影像的準(zhǔn)確性，并確認(rèn)周?chē)h(huán)境是否存在安全威脅[2]。

在上述限制條件與案例項(xiàng)目測(cè)量測(cè)繪需求下，相關(guān)負(fù)責(zé)人員需準(zhǔn)確計(jì)算并確定以下參數(shù)。①無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量航高。無(wú)人機(jī)飛行高度參數(shù)明確后，先尋找合適的地面影像分辨率值，一般情況下，這一數(shù)值主要根據(jù)航空攝影測(cè)量1：500地形圖的要求計(jì)算得出，大約為4.23cm/pixel。然后，相關(guān)測(cè)量人員需要明確本次輕小型無(wú)人機(jī)搭載的鏡頭焦距，結(jié)合像元大小，用焦距除以像元大小后乘以地面影像分辨率值，即可得航高參數(shù)。②確定重疊度與其他參數(shù)。所謂重疊度，指的是相鄰相片間的重疊程度，是影像連接點(diǎn)匹配的重要影響因素。重疊度越高，影像提取的連接點(diǎn)平差結(jié)構(gòu)越強(qiáng)。在上述案例項(xiàng)目中，針對(duì)本測(cè)區(qū)內(nèi)較為密集的建筑物建設(shè)現(xiàn)狀，以及三維建模對(duì)航攝成果使用需要，將航向重疊度與旁向重疊度分別設(shè)為80%、75%，采用差異化的拍攝方式。對(duì)于正射影像的獲取，主要使無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)垂直于地面進(jìn)行拍攝，即云臺(tái)俯仰角為0°，獲取傾斜影像時(shí)云臺(tái)俯仰角為45°，以東面傾斜航線(xiàn)規(guī)劃圖為例，其他方向類(lèi)似，逐一確定所有參數(shù)后，根據(jù)航線(xiàn)分別對(duì)五個(gè)方向的影像數(shù)據(jù)加以采集，確保影像數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性。

2.3.2 測(cè)量像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)

在無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)下的城區(qū)地形圖測(cè)量測(cè)繪項(xiàng)目中，像控點(diǎn)是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量用于大比例尺地形圖測(cè)制的必要環(huán)節(jié)。新時(shí)期下，無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)處于持續(xù)化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)日益進(jìn)步的背景下，實(shí)際測(cè)量測(cè)繪過(guò)程中使用的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)呈減少狀態(tài)。文中案例項(xiàng)目選用輕小型無(wú)人機(jī)，其定位水平與一般無(wú)人機(jī)比較相對(duì)較差，若是按照原有精度進(jìn)行三維模型的建立，較難滿(mǎn)足1：500這種大比例尺城區(qū)地形圖測(cè)繪精度要求。因此，在測(cè)量像控點(diǎn)時(shí)，需要結(jié)合高精度的控制點(diǎn)參與空三解算，以提高模型精度，這也是文中案例技術(shù)方案的關(guān)鍵點(diǎn)。不僅如此，不依照比例尺表示的地物地貌，要對(duì)其定位點(diǎn)或定位線(xiàn)進(jìn)行采集，采集內(nèi)容要求如表1所示。

在實(shí)際操作過(guò)程中，按照合理分布情況確定像控點(diǎn)數(shù)量，在不影響測(cè)量精度的同時(shí)提高作業(yè)效率，降低項(xiàng)目投入成本。在上述案例項(xiàng)目中，無(wú)論是像控點(diǎn)的采集還是檢查點(diǎn)的采集，均由CORS多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)完成。按照現(xiàn)行控制點(diǎn)規(guī)范選取、布設(shè)控制點(diǎn)，通過(guò)分析項(xiàng)目實(shí)地情況，并落實(shí)人工標(biāo)記，所選位置以道路中線(xiàn)、斑馬線(xiàn)、地磚等航拍影像較為清晰、短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變動(dòng)的位置為主，其中，角點(diǎn)用作控制點(diǎn)并標(biāo)記。采用CGCS2000國(guó)家坐標(biāo)系開(kāi)展控制點(diǎn)測(cè)量工作，在上述案例項(xiàng)目中，根據(jù)實(shí)地勘察結(jié)果，控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)分別規(guī)劃了9個(gè)和31個(gè)，并對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化的唯一性命名[3]。

2.4 構(gòu)建三維模型

完成上述數(shù)據(jù)采集工作后，為使測(cè)量數(shù)據(jù)得以切實(shí)發(fā)揮作用，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，然后構(gòu)建實(shí)景三維模型，以此為基礎(chǔ)開(kāi)展精度分析。在上述案例項(xiàng)目中，整理外業(yè)數(shù)據(jù)，補(bǔ)測(cè)存在遮擋無(wú)法構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)區(qū)域后，經(jīng)整理共得到5462張測(cè)量影像。使用Context Capture對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)識(shí)別照片位置姿態(tài)信息（POS），完成影像數(shù)據(jù)預(yù)處理。然后面向初步處理后的測(cè)量影像進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)，影像上帶有像控點(diǎn)的數(shù)據(jù)開(kāi)展空三建立工作，確保其精度滿(mǎn)足后續(xù)地形圖測(cè)繪要求，確認(rèn)合格后進(jìn)行三維建模，開(kāi)展模型精度分析。

2.4.1 解算空中三角并建模

空中三角測(cè)量處理是傾斜影像數(shù)據(jù)的核心，處理流程為：從少量的控制點(diǎn)出發(fā)，基于航攝影像加密控制點(diǎn)，運(yùn)用光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法解算出加密點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)空中三角加密，同時(shí)得到絕對(duì)定向所需的外方位元素與加密控制點(diǎn)，順利將攝影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。從操作本質(zhì)上來(lái)看，其主要是轉(zhuǎn)換坐標(biāo)空間，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)大地坐標(biāo)的精準(zhǔn)求取。在上述案例項(xiàng)目中，完成空中三角計(jì)算工作后，得到了水平誤差、高程誤差和點(diǎn)位誤差數(shù)據(jù)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，存在一個(gè)控制點(diǎn)不滿(mǎn)足空三解算標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)粗差要求，因而參與空中三角解算的控制點(diǎn)縮小到8個(gè)。在滿(mǎn)足空中三角精度要求后，相關(guān)測(cè)量測(cè)繪人員需對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行制作，分別制作灰度模型、實(shí)景三維模型和Mesh模型，通過(guò)不同形式的三維模型，為后續(xù)工作奠定良好基礎(chǔ)。

2.4.2 基于模型精度分析控制點(diǎn)具體影響

由于控制點(diǎn)數(shù)量與三維模型精度之間具有緊密關(guān)聯(lián)，但并非正比例關(guān)系，前期隨著控制點(diǎn)數(shù)量的增加，三維模型精度確實(shí)處于上升趨勢(shì)，但是當(dāng)控制點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量，三維模型精度將不會(huì)再出現(xiàn)明顯提升。所以，在上述案例項(xiàng)目中，為保證輕小型無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量精準(zhǔn)性，需要分析技術(shù)方案中的控制點(diǎn)數(shù)量是否對(duì)三維模型精度造成影響[4]。

實(shí)際分析過(guò)程中，引入CORS實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)，同時(shí)在三維模型上量取點(diǎn)位坐標(biāo)，結(jié)合二者開(kāi)展平面精度檢驗(yàn)分析。在此次實(shí)驗(yàn)操作中，面向三維模型共刺入四次控制點(diǎn)，每次刺入的控制點(diǎn)數(shù)量分別為8個(gè)、6個(gè)、4個(gè)、3個(gè)。由此構(gòu)成四種分析情況，通過(guò)對(duì)比分析不同情況下三維模型精度呈現(xiàn)情況，以此判斷有無(wú)影響，以及影響程度。在上述案例項(xiàng)目中，野外實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)共有31個(gè)，開(kāi)展數(shù)據(jù)誤差分析，在刺入八個(gè)控制點(diǎn)的情況下，三維模型平面中顯示的誤差數(shù)據(jù)在±0.05m左右，根據(jù)1：500地形圖繪制精度要求（小于±0.15m），發(fā)現(xiàn)并未超出要求范圍。運(yùn)用同樣方法與實(shí)驗(yàn)流程，對(duì)比分析同名點(diǎn)高度精度，發(fā)現(xiàn)在31個(gè)檢查點(diǎn)的高程精度評(píng)價(jià)中，高程誤差最大的點(diǎn)、高程誤差最大值、高程中誤差數(shù)據(jù)分別為xn05、0.11m、±0.06m?，F(xiàn)行規(guī)范要求高程中誤差不大于0.17m，經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)三維模型滿(mǎn)足項(xiàng)目大比例尺地形圖繪制精度要求。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)精度影響的深入對(duì)比與分析，分別對(duì)不同數(shù)量控制點(diǎn)下影像進(jìn)行三維建模后，對(duì)三維模型點(diǎn)位坐標(biāo)精度進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在31個(gè)檢查點(diǎn)下，不同刺入個(gè)數(shù)的誤差情況不盡相同，尤其是控制點(diǎn)數(shù)量、精度、分布、刺點(diǎn)精度方面，對(duì)三維模型的精度均帶來(lái)了影響。當(dāng)刺入控制點(diǎn)數(shù)量為8個(gè)時(shí)，由于刺點(diǎn)精度相對(duì)較低，即便減少刺入控制點(diǎn)數(shù)量，也會(huì)在點(diǎn)y方向上出現(xiàn)較大整體性誤差，在該情況下，三維模型點(diǎn)位中誤差精度提高，由0.05m提高至0.03m。相較于8個(gè)控制點(diǎn)的刺入場(chǎng)景，無(wú)論是6個(gè)控制點(diǎn)的刺入還是4個(gè)控制點(diǎn)的刺入情境，三維模型發(fā)生的精度變化均相對(duì)較小，點(diǎn)位中誤差均為0.03m。在3個(gè)控制點(diǎn)的刺入情況下，三維模型點(diǎn)位精度降低，但是由于案例項(xiàng)目主要為平原地區(qū)，在高程方面，其變化較不明顯，因此，三維模型高程中誤差變化不明顯，基本未出現(xiàn)變化。但是從最終結(jié)果來(lái)看，無(wú)論刺入的控制點(diǎn)數(shù)量多少，其最終分析結(jié)果均滿(mǎn)足案例項(xiàng)目大比例尺地形圖繪制要求，因此，為控制測(cè)量成本，同時(shí)不影響三維模型精度，最終布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)。

2.5 繪制地形圖

在輕小型無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的使用下，城區(qū)1：500地形圖繪制需要先將模型按照OSGB格式導(dǎo)出，然后對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以EPS平臺(tái)為基礎(chǔ)新建工程，將其轉(zhuǎn)化為DSM數(shù)據(jù)格式，然后導(dǎo)入平臺(tái)開(kāi)展繪制工作。

需要注意的是，在繪制完成后，應(yīng)根據(jù)地物不同使用不同地物的編碼繪制實(shí)驗(yàn)區(qū)域地形圖[5]。這一流程無(wú)需借助其他工具，相較于其他技術(shù)方案，地形圖繪制效率大幅提升。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在城區(qū)1：500地形區(qū)測(cè)量測(cè)繪項(xiàng)目中，根據(jù)實(shí)際情況可選用輕小型無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，尤其是小城區(qū)區(qū)域，在該技術(shù)應(yīng)用下，不僅可以獲得較高水平測(cè)量測(cè)繪精度，還能夠降低成本，減少控制點(diǎn)布設(shè)，降低相關(guān)人員工作壓力，提高測(cè)量質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張秋義，王笑，王曉旭，等.基于傾斜攝影建模多技術(shù)融

合的1：500地形圖測(cè)繪[J].地理信息世界，2022，29

（3）：13-17.

[2] 田正杰，王雪英，渠濤，等.無(wú)人機(jī)載LiDAR在光伏場(chǎng)區(qū)

1：500地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2023（5）：

180-184.

[3] 張福存，薛晉宇，賈國(guó)煥，等.基于實(shí)景三維模型的城市

1：500地形圖測(cè)繪[J].地理空間信息，2021，19（2）：

36-39.

[4] 馬海政，強(qiáng)德霞.免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)在大比例尺地

形圖測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2020（7）：159-161.

[5] 楊亞彬，謝思梅，謝榮安.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在不

動(dòng)產(chǎn)更新測(cè)繪中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2020（7）：108

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[作者簡(jiǎn)介]張明航（1978—），男，安徽懷遠(yuǎn)人，本科，工程師，研究方向：測(cè)繪。