無人機低空航攝系統在云南山區1:2000地形圖測繪中的應用

萬保峰（云南省地礦測繪院, 昆明 650218）

無人機低空航攝系統在云南山區1:2000地形圖測繪中的應用

萬保峰
（云南省地礦測繪院, 昆明 650218）

摘 要：近年來，無人機低空航攝系統發展很快，已經逐步應用于測繪、國土、林業、環保、軍事等眾多領域。本文首先簡要介紹無人機低空航攝系統的組成和作業流程，并通過實例驗證無人機低空航攝系統測繪山區地形圖的優勢。

關鍵詞：無人機低空航攝系統；數字線劃圖；正射影像圖

0 引言

云南省是一個山區省份，其國土面積94%為山區，且高差比較大，植被茂盛，采用傳統人工測量，效率較低，成本較高。隨著全省經濟建設的進一步發展，對地形圖的需求更高。使用低空無人機航攝系統測地形圖，作業效率可以顯著提高，不僅僅能滿足其精度要求，還能同時提供正射影像圖和測區三維立體圖，為后期各項工作的開展提供了扎實的基礎。本文首先通過實例介紹無人機低空航攝系統測繪地形圖的作業流程和關鍵技術，進而驗證無人機低空航攝系統測繪山區地形圖的優勢。

1 無人機低空航攝系統組成

無人機低空航攝系統是以無人機為飛行平臺，利用高分辨率相機系統獲取遙感影像，利用空中和地面控制系統實現影像的自動拍攝和獲取，同時實現航跡規劃和監控、信息數據壓縮和自動傳輸、影像預處理等功能，是具有高智能化程度、穩定可靠的，具有較強作業能力的低空遙感系統[1]。系統主要由飛行平臺、自駕系統、航攝系統和后期相關處理軟件組成。

1.1 飛行平臺

本文所述無人機飛行平臺為國遙萬維公司生產的“快眼Ⅱ型”無人機，機長1.8 m，翼展2.3 m，機高0.49 m，安全飛行海拔高度不高于4500 m，續航時間約1.5h-2.0h，巡航速度為108 km/h，載重5 kg,起降方式為滑跑或者彈射傘降。

1.2 自駕系統

自駕系統采用普洛特無人飛行器科技有限公司的UP30飛控系統。該系統包含：機載飛控、地面站、通訊設備。作為無人機的飛行控制核心設備，其主要任務是利用GPS等導航定位信號，通過測定無人機在飛行中的俯仰、橫滾、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收處理地面發射的測控信息，對無人機進行數字化控制，控制無人機按照預定的航跡飛行，使其具有自主智能超視距飛行的能力。地面控制系統軟件在無人機飛行前進行任務航線規劃，在飛行過程中顯示飛行區域的航跡、電子地圖以及飛行參數和飛機的姿態等參數。飛行過程中,所有飛行參數和導航數據可實時下傳。操作者可在地面計算機上監視飛行狀態，可根據航跡規劃和路徑調整來控制各種任務的執行。

1.3 航拍攝像系統

無人機平臺搭載的航攝儀有佳能5D MΑRK系列、尼康D800系列、飛思和哈蘇等一系列航攝儀。但從安全和經濟角度，市場上主要用佳能5D和尼康D800系列，鏡頭一般有：24mm、35mm和50mm定焦鏡頭。本項目采用佳能Canon EOS 5D Mark III和24 mm定焦鏡頭。

1.4 影像處理軟件

目前市場上無人機影像處理的軟件比較多，本項目影像后期處理軟件采用武漢大學開發的DP-Grid低空航測數據處理系統軟件，立體采集、編輯成圖采用適普公司的全數字攝影測量 VirtuoZo和清華山維的EPS軟件完成。

2 生產作業流程

低空無人機航攝系統作業流程分為航攝外業和內業數據處理。

2.1 航攝外業流程

與傳統航測相同，低空無人機航攝同樣需要進行航線設計、航攝飛行、質量檢查、補飛或重飛、像控測量等步驟。所不同的是，無人機航攝的航線設計由于面積小，故無需考慮地球曲率的變化；航攝質量的檢查在航攝現場就能完成。

圖1 航攝外業作業流程

2.2 航攝內業流程

航攝內業流程如圖2所示，其中DLG制作采用“先內后外”的作業方式。先內業后外業的作業流程是先在室內利用已有的影像對地物實行判讀和采集，然后再把內業初步生成的DLG 成果疊加到DOM上制作調繪片，供外業到實地進行調繪，對內業的采集結果進行校對和更正，最后再對外業的成果進行整理編輯成圖。

圖2 航攝內業作業流程

3 應用實例

本文以寧洱縣梅子鄉中低產田改造項目地形圖測繪為例，項目區最高點海拔1300 m，最低點海拔1000 m，地形比較復雜，植被主要以灌木、樹林為主。項目區面積7平方公里。測區條件較復雜，采用傳統測量技術，作業效率較低，所以采用無人機低空航攝系統進行。

3.1 像控測量

測區主要以樹林和植被為主，不易選像控特征點，故采取先布設像控，后進行無人機航拍方式。像控點點位選取原則：選在地形相對平坦處；無障礙物和遮擋物；遠離強電磁輻射源；交通方便，易于到達；點位易于制作像控標志，不宜被破壞；點位盡量布設在影像的六度重疊區域等[2]。像控點為石灰標志點，呈十字型，規格為0.2m×1.5m；像控點測量采用GPS-RΤK方式測量。項目區共布設70個點，其中50個點作為像控點，20個作為檢查點。

3.2 無人機低空航攝

采用佳能Canon EOS 5D Mark III和24 mm定焦鏡頭，相機分辨率為2200萬像素，影像幅面為：5760×3840 pixel，像元大小6.2μm。根據項目區地形，航攝設計為1個架次，相對航高600 m，拍照間距200 m，地面分辨率優于0.16 m。共獲取有效原始影像650張。

3.3 數據后期處理

根據航飛的情況將數據分為3個測區進行處理，利用DP-grid軟件和其它相關軟件進行后期影像數據處理。空三加密精度，見表1。

表1 各測區基本定向點和檢查點精度

絕對定向完成后，區域網平差結果基本定向點殘差、檢查點誤差不大于表2規定。

表2 基本定向點殘差/檢查點誤差最大限值

從以上兩表可以看出，項目區域涉及的基本定向點和檢查點中誤差都小于表2的規定，絕對定向精度達到了1:2000正射影像圖及1:2000數字線劃圖精度要求。

經過加密后的數據，導入VirtuoZo全數字攝影測量系統和清華山維采編一體化軟件后，進行立體采集，然后進行野外調繪、補測、編輯，最終成圖。

3.3 成果輸出

通過以上步驟，最終輸出DOM、DLG和三維立體圖，如圖3、4、5所示。

3.4 精度分析

最終成果精度檢查采用GPS-RΤK和全站儀進行實地打點，平面精度檢查點主要是特征明顯地物點，高程精度檢查點主要是道路交叉口、田坎交叉處、水溝溝底高程等，分布均勻，具有代表性。共檢查平面位置點210個，中誤差為0.45 m；高程點110個，中誤差為0.57 m。通過以上檢測看出，平面精度和高程精度均滿足規范對1：2000地形圖成圖要求。

圖3 DLG成果

圖4 DOM成果

圖5 三維立體成果

4 結束語

本文介紹了無人機低空航攝系統組成、作業流程及在云南山區地形圖測繪項目中的應用，通過實例驗證了無人機低空航攝系統在山區地形圖測繪項目中的優勢，得到如下結論：

（1）應用無人機低空航攝系統制作DLG可以滿足1：2000數字地形圖測繪要求。

（2）較傳統測量技術，大大減少外業工作量，生產成本降低，作業效率提高。

（3）采用無人機低空航攝系統不僅僅能獲得滿足精度的地形圖，還能獲得正射影像圖和三維立體圖，為后期的規劃設計等各環節提供了更為直觀的基礎資料。

參考文獻：

[1]楊潤書，吳亞鵬，李加明，萬保峰.無人機航攝系統及應用前景[J].地礦測繪,2011,27(01):8-9.

[2]謝建春.利用無人飛艇獲取的影像資料制作DOM的實踐[J].山東省國土資源,2012,28(07):35-37.

作者簡介：萬保峰（1982-），男,山西長治人,碩士,主要研究方向：無人機低空航攝，攝影測量與遙感，三維數字城市。