無人機大比例尺地形圖測量技術研究

劉豐

摘 要：隨著低空無人機攝影測量技術的發展和完善，大量試驗己經表明無人機測繪地形圖的精度可以滿足1：2000地形圖的要求，該文結合福建某村的測量項目，詳細探討了無人機大比例尺地形圖的測量流程，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、地形圖制作及無人機航攝影像成圖精度分析等。相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：無人機 大比例尺 地形圖 測量技術 DEM

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0030-02

無人機航攝系統具有以下特點，（1）受天氣條件和地面狀況影響較小，作業方式靈活快速；（2）無人機平臺自身構建及其搭載的航攝設備維護成本低；（3）因無人機飛行高度低，所以能夠獲取高分辨率影像，在小范圍信息獲取方面有很大的優勢；（4）可根據具體要求設置影像重疊度，大重疊度的影像能夠增強后續處理的可靠性。（5）不需要申請空域、攜帶方便、轉場快等優點。目前，小型無人機對地觀測系統已經成為世界各國爭相研究的熱點課題，并在實際應用過程中不斷提升無人機對地觀測系統的性能。

下面以福建某村為例，具體說明無人機航測繪制1：2000地形圖的過程。項目采用“1980西安坐標系”和“1985國家高程基準”。該測區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、數據編輯工序（1：2000比例尺一套））、DOM制作、DEM制作、質檢驗收等工序。

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 m，其相對航高為650 m。平均地面分辨率0.13 m，滿足1：2000成圖要求。該次外業攝影時間為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3～6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<30 m，實際與設計航向<30 m。實際航線偏離設計航線≤像片上10 cm。像片位移誤差<30 m。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

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住成圖范圍，保證測段銜接區域內沒有漏洞。像控點應刺在航向及旁向重疊有5～6張像片的區域內。像控點編號原則：測段像控點編號原則“GP十航片號四位+點序號”。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。該村項目區像控網如圖1所示。

2.2.2 像控點的刺點及整飾情況

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。在像片正面上用紅色直經為7mm的圓形整飾像控點，并注記點號。在像片的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再收參考站。施測現場對點位進行拍照并制作成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 該像控網精度

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：6.52 ppm，限差為：15.0 ppm。共驗算異步環9個，其中坐標分量閉合差最大為：Wx=4.46 cm，Wy=6.46 cm，Wz= 6.36 cm，限差為：±21.06 cm。

（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267m）。最弱點為2259，點位中誤差 ±2.03 cm，限差為：±20.0 cm。

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

無人機航攝系統搭載非量測數碼相機進行航拍，然而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。所以，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、像控點測量、平差計算

（1）量測外控點時，先量測測區四周的像控點6個以后進行平差，其它像控點就可以通過預測的功能來找到大概位置達到快速量測旳目的。外控點的量測由專業人員進行，并由另外一位專業人員檢查。（2）應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；應用外業工序提供的實測高程點檢測空三加密精度。（3）量測完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，確保粗差被全部探測出，最后給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大、多余的像點剔除。然后，進行連接點的交互編輯，根據刺好的控制點進行光束法平差解算，直到加密完成，輸出空中結果。endprint

4.2 區域網空中三角測量

根據連接點（加密點）的影像坐標以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生成核線影像。其次，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是原始航片進行糾正的基礎，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數據處理、影像勻光勻色處理、DOM糾正處理、色調均衡處理以及DOM鑲嵌處理。系統生成的初步DOM結果，還要經過人工編輯，對初始DOM成果進行顏色和幾何處理，才能真正滿足對DOM成果的要求。

6 1：2000地形圖制作

配合DEM將DOM進行校正，然后在拼接生成完整的區域地圖。最后，將區域整體導入到VirtuoZo NT軟件中進行測圖，生成最終的地形圖（如圖2）。

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。

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。該樹片區抽查了4幅圖（占該片區圖幅數的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。具體計算結果如下。經過整理計算，該村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。點位誤差分布圖更直觀的反映了每個檢查點的誤差分布情況。可以看出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。此外，我們將影像數據制作的地形圖與已有的1：2000地形圖數據在CASS中進行套合比較。

8 結語

論文分析了無人機航攝系統的特點，介紹了無人機低空航攝規范。詳細描述了無人機航測系統測繪1：2000地形圖的具體工作流程，并對最終生成的地形圖進行了精度評定，基本滿足1：2000地形圖的精度要求。

參考文獻

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