無人機技術在新疆和田大面積地形圖測繪中的應用

楊伯鋼，李 兵，李 雷

(北京市測繪設計研究院，北京100038)

無人機技術在新疆和田大面積地形圖測繪中的應用

楊伯鋼，李 兵，李 雷

(北京市測繪設計研究院，北京100038)

以新疆和田地區100 km2地形圖測繪為例，論證無人機技術應用于大面積、困難、復雜地區地形圖測繪的可行性，提出無人機技術應用于地形圖測繪的多項技術關鍵及其改進方向。

無人機;地形圖測繪;數字線劃圖;解析空中三角測量

一、引 言

隨著信息化技術的高速發展，近幾年來，無人機遙感平臺以其靈活便捷、成本低廉等獨特的技術優勢已經廣泛應用于各個領域中，尤其在測繪領域更是得到了空前的大發展，并逐漸成為提升測繪應急服務保障能力的重要手段。作為傳統航空攝影測量手段的有力補充，無人機遙感平臺已經成功應用于災害應急處理、國土監察、資源開發等方面。但是，受多種因素的影響，目前國內無人機遙感平臺主要以影像地圖的快速獲取為主，很少涉及基本比例尺地形圖測繪任務，尤其是大面積、復雜地區的地形圖測繪。

本文以北京援疆測繪工程為例，對無人機遙感平臺在新疆和田地區大面積1∶2000比例尺地形圖測繪中的成功應用情況進行介紹，就作業中的技術關鍵點進行重點闡述，并提出了無人機遙感平臺在大范圍地形圖測繪方面的技術改進方向。

二、測區概況

和田位于新疆維吾爾自治區的最南端，地勢南高北低，南枕昆侖山和喀喇昆侖山，北部深入塔克拉瑪干沙漠。此次無人機航攝范圍位于和田東南部洛浦縣。洛浦縣由山地、綠洲、沙漠組成，其中，山地占10.2%，平原綠洲占5.8%，沙漠占84%。測區氣候環境惡劣，主要體現在氣候多變且不規律，與平原地區相比，測區上空局部區域內以旋風為主，風向瞬間變化頻繁，為航攝飛行帶來了一定難度。

三、航攝資料獲取

特殊的地理位置，決定了測區復雜的氣候環境，大風對無人機飛行姿態控制是個極大的考驗，直接影響著影像資料的獲取。針對這種大面積、困難、復雜的測區情況，筆者選用了所在單位與北京華北光學儀器有限公司聯合研制的具有較強穩定性和抗風能力的“華鷹”無人機航攝系統，主要技術參數如表1所示。

表1 無人機航攝系統技術參數

實際飛行時，不規則旋風對飛行姿態的影響比預想更嚴重，無人機會被瞬間抬升或壓低，橫向大風造成無人機翻滾、偏離航向嚴重。經過多次飛行試驗的數據分析，總結了測區航飛規律，找到了最佳飛行窗口、旁向重疊度參數，對航線規劃軟件相關參數進行重新調整、設置，最終獲得了較為滿意的航攝資料。

四、航攝資料情況

洛浦測區面積約100 km2，其中沙漠、戈壁灘占80%，共38條航線，2500個像對。焦距:28.000 mm;像素大小:0.006 41 mm;像幅:X=36.000 mm，Y= 24.000 mm;攝影比例尺:1∶20 000。洛浦測區航跡圖如圖1所示。洛浦縣城飛行一個架次共17條航線，洛浦北京工業開發區飛行2個架次共21條航線。

圖1 洛浦測區航跡圖

五、外控點布設方案

根據無人機航攝資料像幅小、像對多的特點，為了保證加密精度，經過比較分析，外業控制點布設采用了航向每隔8～10條基線布設1個平高點，旁向每隔兩條航帶布設1個平高點的區域網布點方式，在航區內均勻布設了189個野外控制點，并在加密分區角點及地物不明顯區域，均采用了雙控制點布設方式。外控點布設方案如圖2所示。

圖2 外控點分布略圖

六、解析空三

綜合考慮矢量數據采集作業效率，洛浦測區共分為5個加密分區進行解析空三加密。測區內洛浦北京工業開發區大部分區域屬于戈壁灘或沙地，同名地物點極其稀少，若是利用傳統影像匹配算法，基本無法完成連接點自動提取。若是采用手工添加方式，工作量巨大，更是無從下手。本次解析空三連接點提取采用基于獨特的多基線、多重匹配特征的影像自動匹配技術，并利用PAT-B進行粗差定位及剔除，取得了較好的效果。空三加密主要技術流程如圖3所示。

圖3 空三加密主要技術流程

其中，影像預處理包括影像畸變差改正、影像灰度變換等。解析空三解算結果如表2所示。

表2 洛浦測區解析空三成果 m

由表2可知，洛浦測區解析空三成果精度完全符合項目設計對解析空三成果的精度要求。

七、地形圖測繪與精度檢測

采用VirtuoZo、JX4全數字攝影測量系統進行矢量數據采集。內容包括:資料準備、內定向、相對定向、絕對定向、數據采集、圖形編輯、接邊和成果輸出。

整個工程共投入15名作業員，利用14天完成了1∶2000數字線劃圖國家標準分幅122幅圖的矢量數據采集工作，提交外業調繪成圖。

地形圖成果精度檢測采用野外極坐標法，在測區范圍內隨機、均勻抽取了7幅圖進行平面點位精度、高程精度檢測，檢測結果如表3、表4所示。

從檢測結果可以看出，成果數據平面點位、高程精度完全滿足項目設計要求，產品質量合格。

八、無人機航攝系統地形圖測繪改進方向

無人機航攝系統作為傳統航空攝影手段獲取影像資料的有效補充，具有靈活機動、高效快速、精細準確、作業成本低等優點，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，要使無人機技術在滿足應急服務保障能力的前提下，擴大應用范圍，增加地形圖測繪覆蓋面積，目前的 無人機航攝系統還應在如下幾個方面加以改進。

表3 平面點位精度檢測統計表(成果限差為±1.2 m)

表4 高程精度檢測統計表(成果限差為±0.5 m)

1)在保證靈活機動的前提下，適當提高任務載荷，提高空間姿態控制能力和參數記錄能力。

2)加載大像幅/多鏡頭數碼相機，提高影像幅面。

3)加裝高精度POS系統，減少地面控制點數量，提高作業效率。

4)增強無線電通信數據傳輸能力，提高作業半徑，擴大測區覆蓋面積。

5)提高自主起降的精確性和安全性。

九、結束語

本文通過新疆和田洛浦地區地形圖測繪實踐，形成了無人機航攝系統應用于大面積1∶2000地形圖測繪的生產工藝，使無人機技術應用于大面積、困難、復雜地區地形圖測繪成為可能，在航攝飛行姿態控制、外控點布設、空三連接點提取等方面有所創新，對城市測繪院完成基本比例尺地形圖做了有益的嘗試，也為大面積地形圖測繪增添了一種高效、低成本的測繪技術手段。

目前，雖然無人機航攝系統已經成功應用于影像資料的快速獲取，但在較大面積地形圖測繪方面還處于起步階段。相信在不久的將來，隨著無人機技術、傳感器技術、通信技術的不斷發展，數據資料后處理技術的不斷完善，無人機航攝系統將在地形圖測繪方面得到更廣泛的應用。

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The UAV Application to Large Area Topographic Mapping

YANG Bogang，LI Bing，LI Lei

0494-0911(2012)08-0021-03

P217

B

2012-06-21

地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(201135)

楊伯鋼(1960—)，男，陜西西安人，博士，高級工程師，主要從事測繪地理信息技術應用研究工作。