基于無人機系統內外業一體化航空攝影測量方法與流程研究

田奎

摘 要：隨著低空無人機攝影測量技術的迅猛發展，利用無人機系統測制1：2000地形圖成為可能。本文結合陜西某村的測量項目，詳細探討了無人機大比例尺地形圖測制的作業流程，主要包括航空攝影、像片控制、影像預處理、空中三角測量、DEM/DOM制作、地形圖測制及無人機航攝影像成圖精度分析等。

關鍵詞：無人機 大比例尺 地形圖 測量技術

中圖分類號：P221 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0000-00

無人機航攝系統具有以下特點：第一，受天氣條件和地面狀況影響較小，作業方式靈活快速；第二，無人機平臺自身構建及其搭載的航攝裝備維護成本低；第三，因無人機飛行高度低，所以能夠獲取高分辨率影像，在地面細節信息獲取方面具有較大優勢；第四，可根據實際需求調整影像重疊度，大重疊度的影像能夠增強后續處理的可靠性；第五，攜帶方便、轉場快。

下面以陜西某村為例，具體說明基于無人機對地觀測系統航測繪制1：2000地形圖的作業方法與流程。項目采用“1980西安坐標系”和“1985國家高程基準”。主要作業工序為無人機航攝、地形測量（包括四等控制測量、I級控制測量、像控測量、圖根測量、野外補測、外業調繪）、空三加密、地形圖制作（包括立體采集、矢量數據編輯、DOM制作、DEM制作、質量檢查與驗收等。

1航空攝影

該村采取東西向飛行，平均航攝比例尺為1：23533，平均地面高度為1350米，相對航高為650米。平均地面分辨率0.13米，滿足1：2000成圖要求。本次外業攝影時間為2012年6月5日。

2像片控制

2.1 影像資料分析

航線間隔及旁向重疊度在30%～40%之間，航向重疊度在65%～75%之間。全攝區無航攝漏洞，航向超出攝區范圍三至六條基線。像片傾斜角<4°，旋偏角<8°，航線彎曲度<3%。無人機航攝系統的飛行質量符合標準要求。同航線高差小于30米，實際航線偏離設計航線不大于像片上10cm。像片位移誤差小于30米。航攝影像清晰、無云影等遮擋，色彩均勻，滿足設計要求。

2.2 像控點布設及刺點

2.2.1 像控點布設

A.像控點布設：像控點在航線方向上按10-15條基線布設，在旁向上按2-4條基線布設。布設的像控點能夠有效控制成圖范圍，保證測段銜接區域內無漏洞。像控點選刺在航向及旁向重疊有5-6張像片的區域內。B.像控點編號原則：測段像控點編號原則“GP+航片號四位+點序號”。C.像控點布設完成后繪制布點示意圖供內業加密和存檔。滿足空三加密及數字化采集要求。

2.2.2 像控點刺點及整飾情況

刺點誤差和刺孔的直經均小于像片上0.1mm，且刺透，無雙孔。點位說明確切，略圖完整明了，刺孔、略圖、說明與實地柱位一致。A、在像片正面用紅色直徑為7mm的圓形整飾像控點，并注記點號；B、在像片背面用鉛筆繪制點位略圖和標注文字說明等。

2.3 像控點測量

像控點坐標可以使用全站儀、RTK等常規儀器進行測繪。像控點的精度和施測要求參照常規航測外業規范執行。木次像控點測量采用雙頻GPS接收機，已知控制點為加密的一級GPS控制點。為保證像控點測量成果的可靠性，在全部像控點測量完畢后撤收參考站。施測現場對點位進行拍照并制作點位信息表供內業加密使用。將檢查合格后的像控點數據進行處理，基線處理采用Compass靜態處理專業版軟件，得到該村片區像控成果。

2.4 像控網精度

該村片區像控網精度統計：（1）線向量檢核，同步環、異步環驗算：共驗算同步環15個，其中環線全長相對閉合差最大為：6.52ppm，限差為：15.0ppm。共驗算異步環9個，其中坐標分量閉合差最大為：Wx=4.46cm，Wy==6.46cm，Wz=6.36cm，限差為： =±21.06cm。（2）三維無約束平差：三維無約束平差最弱邊相對精度為：1/15267，邊名：2174-2173 （邊長267 m）。（3）二維約束平差：約束平差最弱邊相對精度為：1/17725，邊名：2174-2173 （邊長267 m）。最弱點為2259，點位中誤差±2.03cm，限差為：±20.0cm。

該村片區像控網精度統計：（1）基線向量檢核，同步環、異步環驗算：共驗算同步環14個，其中環線全長相對閉合差最大為：4.48ppm，限差為：15.0ppm.共驗算異步環14個，坐標分量閉合差最大為：Wx=-2.32cm，Wy=18.16cm，Wz=-12.55cm，限差為： =±21.06cm。（2）三維無約束平差：三維無約束平差最弱邊相對精度為：1/14131，邊名：2127-G04（邊長545 m）。（3）二維約束平差：約束平差最弱邊相對精度為：1/34023，邊名：2174-G04 （邊長545 m）。最弱點為1187，點位中誤差±4.19cm，限差為：±20.0cm。

從上述精度統計情況可以看出，該村片區像控網精度指標滿足技術要求。

3 影像預處理

采用無人機航攝系統搭載非量測數碼相機進行航拍，相機自身的性能對測量精度影響較大。未經過處理的航攝影像畸變差較大，無法直接用于空三測量等后續處理工作。因此，在影像進行空三加密前，需要先對其進行畸變差改正。在沒有室內和室外高精度檢校場的情況下，通常是根據非量測數碼相機提供的鑒定報告，利用DPGrid系統內的小像幅影像畸變差校正模塊對影像進行畸變差改正。

4空中三角測量

4.1 空三加密經過像點連接、像控點量測、平差計算過程

1）量測外控點時，先量測測區四周的6個像控點以后進行平差，其它像控點即可以通過預測的功能驅動到概略位置，達到快速量測的目的。外控點的量測由專業人員進行，并由另外一位專業人員負責檢查。2）采用外業工序提供基礎控制點參與計算，提升空三加密的整體精度。利用外業工序提供的實測高程點檢測空三加密精度。3）完成像控點量測后進行最終的平差解算，首先將物方標準方差權放大，進行粗差的消除，然后逐步提高物方權重，確保探測并剔除全部粗差，最后給予合適的權值強制平差。

DPGrid系統中的空三模塊為全自動空三軟件。系統根據建好的航線列表進行全測區自動匹配，接下來通過自動挑點程序將粗差及多余的像點剔除。然后，進行連接點的交互編輯，根據量測后的控制點進行光束法平差解算，直到符合精度要求，輸出空中結果。

4.2 區域網空中三角測量

根據連接點（加密點）的影像坐標和少量地面控制點的影像坐標及其物方空間坐標，通過平差計算，求解影像的外方位元素和連接點的物方空間坐標，稱為區域網空中三角測量。空三測量提供的平差結果是影像后續處理與應用的基礎。

5 DEM、DOM 制作

5.1 DEM制作

首先，根據空三加密成果，對無人機航攝的原始影像進行重釆樣并生成核線影像；然后，系統自動匹配三維離散點，得到攝區的DSM；最后，經過自動濾波便可得到DEM。雖然DPGrid系統實現了自動匹配，但是由于現實地物的復雜性（如水體、樹木、陰影）以及人工地物的影響，所以實際生產中為了提高DEM的精度，需要對DEM進行人工編輯。因為DEM是糾正原始航片的基礎，只有準確的DEM才能保證DOM的精度。

5.2 DOM制作

DPGrid系統全自動生成DOM主要包括：DEM數據編輯、影像勻光勻色、DOM糾正、色調均衡及DOM鑲嵌。系統生成的原始DOM結果，需經過人工編輯，對色彩和圖面進行修飾，以滿足DOM成果質量要求。

6 1：2000地形圖制作

將影像及空三成果導入到VirtuoZo NT軟件中進行測圖，根據航空攝影測量內業規范及地形圖圖式，進行地物、地貌要素的采集。外業調繪人員利用已有的圖紙和測圖數據，進行實地調繪、修測、補測等工作，得到最終的地形圖成果。

7無人機航攝影像成圖精度分析

采用GPS快速靜態方式獲取該攝區外業檢查點的坐標數據。選取該片區其中4幅圖（占本片區圖幅數的10%），共83個檢査點。對比這些外業檢查點的實測坐標與圖上坐標，計算出兩組坐標的平面及高程差值。根據點位中誤差公式計算出每個檢查點的平面中誤差。經過整理計算，該片區地物點平面點位中誤差為0.72m；高程中誤差為0.69m。根據點位中誤差計算結果繪制點位誤差分布圖，絕大多數點位誤差分布在0-0.8m之間，其平面精度滿足1：2000地形圖的要求。

參考文獻

[1] 竹林村.幾種低空遙感系統對比分析[J].城市勘測.2009，3：65-67.

[2] 姬淵，秦志遠等.小型無人機遙感平臺在攝影測量中的應用研究[J].測繪技術裝備.2008，10 （4） ：46-48.