無人機攝影測量在公路選線上的應用研究

吳 磊，金偉娜，燕樟林

（浙江華東測繪有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，輕型無人機在遠程遙控、續航時間、飛行品質上有了明顯的突破，成為近幾年興起的新型航空遙感手段，特別是飛行自動控制、數字傳感器小型化等關鍵技術的突破以及國家低空空域有序開放的政策調整[1]，為低空無人機航測技術的發展帶來了新的契機。

無人機航攝系統具有全天候、全天時、低成本等技術優勢，其獲得的高分辨率影像數據可應用于多個領域，適合于我國信息化發展的需要[2]。無人機航攝系統是傳統航空攝影測量手段的有力補充，具有靈活機動、高效快速、精細準確、作業成本低等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。

測區位于四川省會東縣境內，與云南省巧家縣隔金沙江相望。測區全長約85 k m，縱跨寧南縣葫蘆口鎮、華彈鎮，會東縣崇興街、魯吉街、溜姑、下海子、野牛坪等鄉鎮，區域內地形復雜，高差比較大。由于測區高差比較大，帶狀地形，且面積比較小，利用普通大飛機獲取影像數據很不方便并且成本比較高，而無人機具有獨特優勢，可以很好地應用于這種小面積的帶狀地形，并可以在保證成圖精度的情況下縮短作業周期，降低作業成本，提高作業效率。

本文主要探討無人機航攝系統在帶狀公路選線上的應用，利用無人機航攝系統獲取航攝影像數據，通過數據處理與采集為白鶴灘水電站庫區帶狀公路選線提供1∶2000地形圖和正射影像圖D OM成果，以方便設計部門根據地形圖并結合正射影像圖科學、合理、高效地確定白鶴灘庫區公路的走向。

1 無人機航攝系統的組成

1.1 定義

無人機主要有固定翼無人機、無人駕駛直升機和無人駕駛飛艇等種類。飛行器結構簡單、使用成本低。無人機攝影測量是綜合利用先進的無人駕駛飛行器技術、攝影測量傳感器技術、遙控程控技術、通訊技術、GPS差分定位技術的攝影測量應用技術，能自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環境等空間信息，并完成攝影測量數據處理、建模和應用分析。其工作原理如圖1所示。

1.2 系統硬件組成

無人機航攝系統硬件設備主要包括飛行平臺（圖2所示）、飛控系統、地面監控系統、任務設備、數據傳輸系統、發射與回收系統、地面保障設備。無人機航攝系統以無人機為飛行平臺，主要由機體、動力系統、執行系統、電氣系統、起落架及其它保證飛行平臺正常工作的設備和部件組成；飛控系統主要由飛控板、慣性導航系統、GPS接收機、氣壓傳感器、空速傳感器、轉速傳感器等部件組成；地面監控系統主要由無線電遙控器、監控計算機系統、地面供電系統以及其監控軟件等組成；任務設備主要由數碼相機、數碼相機控制系統以及有關的裝置組成；數據傳輸系統分為空中和地面兩部分，均包括數傳電臺、天線、數傳接口等；發射與回收系統分為無人機發射系統部分和回收系統部分；無人機航攝系統的地面保障設備分為運輸保障設備和業務運行保障設備。

圖1 無人機航攝系統工作原理Fig.1 The working principle of UAV aerial system

圖2 無人機航攝系統飛行平臺Fig.2 The flying platform of UAV aerial system

1.3 配套軟件

目前的無人機航攝系統多使用小型數字相機（或掃描儀）作為機載遙感設備，與傳統的航片相比，存在像幅較小、影像數量多等問題。針對其影像的特點以及相機定標參數、拍攝（或掃描）時的姿態數據和有關幾何模型對圖像進行幾何和輻射校正，采用相應的軟件進行交互式的處理。同時還有影像自動識別和快速拼接軟件，實現影像質量、飛行質量的快速檢查和數據的快速處理，以滿足整套系統實時、快速的技術要求。

2 無人機航攝系統內外業作業流程

無人機航攝系統的作業流程主要包括外業和內業工作兩部分，如圖3所示。其中外業工作主要有測區現場踏勘、航線設計、無人機航拍獲取影像數據、影像數據現場質量檢查、像控點量測、調繪等；內業工作主要包括影像數據預處理、空中三角測量、DLG采集、外業調繪成果內業編輯、生成DEM和制作正射影像等。

圖3 無人機航測內外業作業流程Fig.3 The indoor and field workflow of aerial photogrammetry

3 無人機航攝成圖具體實例

無人機航測成圖實例包括航攝資料概況介紹、外業像控點布設與量測、空中三角測量、內業測圖與編輯、DEM和DOM制作等。

3.1 航攝資料概況

測區位于四川省會東縣境內，與云南省巧家縣隔金沙江相望，屬高山峽谷侵蝕地貌。本線路為南北走向，北起寧南縣葫蘆口鎮，南至會東縣野牛坪鄉甘鹽井村，全長約85k m。區內地形復雜，氣候多變，地質環境脆弱，泥石流等災害頻發，交通不便。測區地理位置如圖4所示。

圖4 測區地理位置圖Fig.4 The block location map

3.2 外業像控點布設與量測

根據實測要求和成圖比例尺，外業要求采取區域網布設方案。具體的區域網布設原則是：平高區域網航線數一般為4條，且每條航線的基線數應為20條左右。該測區共分五個區域，布設像控點177個，像控點測量起始點采用D級GPS控制網資料。像控點平面位置測量，原則上采用RTK進行測量，因地物遮擋等原因對采用RTK測量確有困難的區域，可采用全站儀施測或直接在首級GPS點上引點等方法測定，像控點高程測量采用GPS二次曲面擬合高程方法測定。像控點坐標采用初始化觀測兩次固定解求平均值，整理后與刺點圖一起提交內業加密。

3.3 空中三角測量

空中三角測量是攝影測量的關鍵步驟，它利用少量地面控制點將整個區域網連接成一個整體，通過區域網平差計算一個測區中所有影像的外方位元素和所有加密點的地面坐標[3]，應用于模型定向以及后續4D產品的生產。空中三角測量是攝影測量內業工作的核心，空三精度的高低將直接影響到攝影測量的成圖精度，甚至會導致內業成圖無法進行。

本測區采用全數字攝影測量系統Pixel Grid（簡稱PG）自動空三加密模塊，并結合Virtuo Zo AAT進行光束法區域網平差，將外業控制點成果數據導入系統，得到外方位元素和加密點成果。整個空中三角測量加密過程包括收集資料及數據準備，原始航片畸變糾正，建立測區并輸入測區參數、相機參數及像控點坐標，建立影像列表，內定向，確定航帶連接點布局并確定航帶偏移量，自動轉點，PATB平差模塊自動挑粗差，交互式編輯、補缺，量測外業控制點，PATB平差結算，符合限差后即可獲取空三加密成果。具體流程如圖5所示。

圖5 空三流程Fig.5 The workflow of AT

3.4 地形圖測量、DOM制作

無人機攝影測量適用于大比例尺的地形圖測量。在加密精度滿足1∶2000情況下在Virtuo Zo中進行立體采集，立體測圖時定向精度滿足1∶2000測圖要求。采集時按地物、地貌先后全要素采集。為了提高測區高程精度，以野外補測、檢測高程為依據，對航測內業高程點進行區域線性擬合，使測區高程誤差逐漸趨于最小，可以得到滿足規范精度要求的地形圖成果，如圖6所示。接著就可以利用采集得到的地形圖制作DEM，然后基于DEM做正射糾正生成正射影像DOM，如圖7所示。

圖6 1∶2000地形圖Fig.6 1∶2000 topographicmap

圖7 1∶2000正射影像圖Fig.7 1∶2000 DOM

3.5 成果精度分析

空三加密完成后，輸出空三成果，具體精度如表1所示，均滿足相關規范精度指標。將符合規范限差要求的Pixel Grid工作站空三加密成果在Virtuo Zo攝影測量工作站中恢復，重建測區，將內業立體測圖工作轉移到Virtuo Zo測圖系統完成。為更好地驗證地形圖精度，采用RTK結合全站儀在測區量測地物點的方式對地形圖成果進行檢查，外業共量測了422地物點，其中點位平面中誤差為±0.51 m，高程中誤差為±0.46m，均滿足相應規范的要求。

無人機攝影測量雖然有其獨特的優勢，但由于飛行平臺不穩定，且攜帶的為非量測相機，致使所得成果高程精度稍差。為更好地提高精度，本項目通過外業在測區均勻量測特征點并再沿公路中心線量測特征點的方式對DLG成果進行糾正和編輯，以生成正式的地形圖。

表1 空三加密精度情況表Table 1:The accuracy table of AT

4 無人機攝影測量技術應用在公路選線上的優勢

無人機攝影測量技術同傳統航空攝影測量技術相比，應用在公路選線上的優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）獲取周期短。傳統航空遙感技術，由于受客觀條件限制，不能及時獲取目標區的影像數據。傳統航空攝影測量技術需要辦理空域飛行申請，數據的采集同樣受軍方和民航的制約，有時候一個申請就需要一個月的時間辦理，不能夠保證數據的時效性，嚴重影響了數據的使用效率，比如工期比較短的項目和目標區的變化檢測等。而無人機是低空飛行，對空域申請要求限制較小，只要注冊就可以飛行，可保證數據采集的及時性和連續性。

（2）成本低，機動靈活，影像實時傳輸，比較適合小面積大比例尺的公路選線項目，對于地形復雜的高危地區測繪，優勢比較明顯；能夠定點起飛、降落，對起降場地的條件要求不高，而且不需要專門的機場和飛行員，能夠比較靈活地選擇起飛降落的地點，一旦有適合航飛的天氣，則可以立即進行航飛。

（3）數據分辨率高。由于無人機飛行高度一般在1 000m以下，其攜帶的高分辨率傳感器可以獲取最高為厘米級的分辨率影像數據，可以滿足各種比例尺的測圖和監測需要。利用無人機航攝系統可以獲取高分辨率的彩色影像數據，能夠豐富地表達測區內的微小細節，可以為地質、規劃設計、監測等部門提供直觀的帶有豐富細節的可量測性影像成果；通過生成DEM和DOM，以此為基礎可以實現三維場景漫游和添加矢量數據，設計部門不用親臨實地即可感受測區實際概況。

5 結語

無人機航攝系統是傳統航空攝影測量手段的有力補充，具有靈活機動、高效快速、精細準確、作業成本低等特點，對起降場地要求不高且不需要專門的機場和飛行員，一旦有適合航飛的天氣就可以立即進行航拍，能夠縮短航拍時間，從而縮短工期并節省成本，因此，通過無人機航空攝影測量技術能夠為設計部門公路選線提供滿足精度要求的地形圖成果，非常適于為帶狀公路選線提供服務。利用該技術能夠快速、高效、低成本提供地形圖和正射影像圖，通過地形圖可以生成數字高程模型DEM，然后在DEM上疊加正射影像圖即可進行三維漫游和添加矢量數據，使設計部門在辦公室里就能親身感受到測區實地的場景，從而使公路選線的決策更加準確、實時、科學合理。因此探討無人機攝影測量技術在帶狀公路上的應用具有十分重要的意義，能夠使公路選線更加科學合理，有助于我國公路選線的正規化和信息化，能夠為我國公路建設做出應有的貢獻。

[1]曹三明，夏興華.民用航空法釋義[M].沈陽：遼寧教育出版社，1996.

[2]劉先林.攝影測量與遙感技術的最新進程[R].鄭州；信息工程大學測繪學院，2006.

[3]張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1996.