無人機航空攝影測量在城市竣工測繪中的應用與實踐

陳玲，丁亞杰

(常州市測繪院，江蘇 常州 213003)

無人機航空攝影測量在城市竣工測繪中的應用與實踐

陳玲*，丁亞杰

(常州市測繪院，江蘇 常州 213003)

以多旋翼無人機為航攝平臺，對新建小區進行大比例尺地形圖快速測繪，得到1∶500地形圖及正射影像圖，本文通過對無人機航空攝影、影像、空三加密、立體采集、正射影像制作的作業方法和流程介紹及質量情況分析，闡述無人機航空攝影測量在城市竣工測繪中的實際應用情況。

無人機航空攝影；竣工測繪；1∶500地形圖

1 引 言

無人機航攝系統作為全數字攝影測量的有力補充，目前在應急測繪、國土資源監測、重大工程建設等方面得到廣泛應用。它機動靈活、數據獲取快捷、地面分辨率高、高效快速、作業成本低等優勢，在小區域和人行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。

近年來，無人機航測遙感技術在測繪行業有了很大的推廣應用，但大多是用于生產制作DOM及小比例尺帶狀地形圖測繪等，對于大比例尺地形圖的生產只能滿足 1∶2 000、1∶1 000精度，對 1∶500比例尺地形圖測繪還沒有得到推廣應用。本文從單位實際生產實例出發，以目前最先進的無人機航測技術為主線，分析探討和解決了無人機航測的一些特殊問題并論證了無人機航空攝影測量系統應用于 1∶500比例尺地形圖生產的可行性，為無人機航空攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪的應用積累了經驗。

2 無人機航攝系統

低空無人飛行器航攝系統是以無人機為飛行平臺，獲取和處理高分辨率及高精度遙感影像的嶄新技術。利用空中和地面控制病影像的自動拍攝和獲取，同時實現航跡規劃和監控、數據壓縮和自動傳輸，影像預處理等功能，是具有高智能化、穩定可靠、作業能力強的低空遙感系統。

2.1 系統組成

無人機航空攝影測量系統由飛行平臺、地面站系統、航拍攝影系統、數據處理軟件等組成。飛控系統包含機載飛控、地面站及通信設備，是飛行控制的核心設備。其主要任務是利用導航定位信號，對過測定無人機在飛行中的速度、高度、姿態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。地面站系統則是通過從地面計算機上監視飛行狀態，并根據航線規劃和實際飛行情況調整和控制飛行任務的執行。航拍攝影系統是通過搭載在無人機上的數碼相機等小型遙感傳感器進行影像獲取。目前普通的數碼相機都具有 2 000萬像素左右的分辨率，可獲得地面分辨率 0.2 m、 0.1 m及以上地面影像。最后通過一系列的數據后處理軟件對無人機航攝獲取的數據進行處理，從而獲得DLG、DEM、DOM等各種所需的成果。

2.2 無人機的優勢

(1)現勢性強。

(2)影像清晰，分辨率高。

(3)云下攝影，受氣候影響小。

(4)攝影方向任意，自主性強，可以量測。

(5)場地限制少，自主性強，效率高。

3 無人機航攝系統在小區竣工項目中的應用

3.1 竣工測區概況

本項目實施的測區位于金壇鎮區，為新建小區竣工，面積約 0.22 km2，測區內地勢平緩，共有建筑51幢，多數為11層房屋。附屬設施均已建設完成。

3.2 技術流程

具體作業流程如圖1所示。

3.3 航攝資料情況

本項目采用大疆S1000多旋翼無人機進行航攝，如圖2所示。

航攝時間： 2015年12月

圖1 技術流程圖

相機：索尼α6000微單。

焦距：16 mm。

航高：204 m。

像幅：23.5 mm*15.6 mm。

像元大小：0.003 92 mm。

像片重疊度：航向70%～85%，旁向50%左右。

像片旋偏角：小于7°；傾斜角：小于2° ；航線彎曲度：小于3%。

影像質量：色彩均勻清晰，顏色飽和無云影，層次豐富反差適中。

圖2 小區航線分布圖

3.4 像控布設及測量

像片控制點全部布設為平高控制點，測區外圍與測區內均勻布設平高點。采用網絡RTK模式測量像控點。在野外選擇合適的點位，點位的選擇按照規范要求，在圖紙上標記像控點點號，并利用手機拍攝近、遠兩張照片作為點之記的補充資料，供空三加密解算時參考。為保證測區 1∶500測圖精度，本測區共布設了31個平高點，其中一部分可作為檢查點使用。在空三解算過程中，我們進行了多種布點方案的測試，布點及精度情況如表1所示，□為像控點，△為檢查點。通過方案對比，為保證較高的測圖精度，我們認為在測區周邊均勻布設4個點，中間適量布1～2個點即可滿足500測圖精度。

多余控制點誤差表 表1

續表1

3.5 空三解算

由于無人機獲取的航片不僅像幅小，影像畸變大，而且偏角和滾角也大，為此，本項目采用SVS低空攝影測量系統進行空三加密與平差解算，其自動空三模塊具有快速并行處理海量數據的能力，平差模塊具有處理姿態極差航片的能力。能夠快速高效地生成大量高精度、高強度的模型連接點，獲得高精度的空三加密結果，以滿足大比例尺測圖的要求。空三加密成果精度如表2所示。

多余控制點誤差表 表2

檢查點平面最小誤差為 0.015 3 m，最大誤差為 0.083 2 m，中誤差為 0.052 3 m。檢查點高程最小誤差為-0.014 7 m，最大誤差為 -0.078 8 m，中誤差為 0.047 3 m，均符合相關規范要求。

3.6 線劃圖采集制作

在航天遠景MapMatrix全數字攝影測量工作站上進行內業數據采集，直接將加密像對導入測圖工作站。內業測繪所有地物的外輪廓，對立體判測有疑問的影像加注說明，為下一工序提供準確、可靠、完整的數據。由于無人機拍攝的影像像幅小，重疊度不規則，因此在立體量測時，模型采集區域要嚴格把控，盡量在中心區域進行量測，離開像片邊緣至少 1 cm～2 cm。

外業根據內業測定的定位點、線調繪地物性質，對新增、變化的地物進行現場實測，對高程注記點進行外業實地采集測量。

當外業調繪、補測完成后，根據統一的作業文件，采用統一的平面坐標系、高程系、等高距，明確坐標取位，對線劃圖進行編輯入庫。

我們對成果數據進行檢查，將無人機航空攝影測量的數據與外業實測點位進行比較。檢查內容包括平面精度檢測，高程精度檢測，檢查情況如表3、表4所示：

平面精度檢查統計表 表3

續表3

高程精度檢查統計表 表4

平面精度統計結果，最小誤差 0.005 m，最大誤差 0.239 m，中誤差 0.111 m。高程精度統計結果，最小誤差 0.035 m，最大誤差 0.378 m，中誤差 0.200 m。通過對所抽查圖幅的各項質量特性檢查，平面精度達到 1∶500精度要求，高程精度達到 1∶2 000精度要求，若 1∶1 000地形圖等高線采用 1 m等高距，此時高程精度達到了 1∶1 000精度要求。

3.7 DEM與DOM制作

根據格網密度由模型自動生成DEM，對人工地物及植被等DEM處進行編輯，利用編輯好的DEM和經糾正后的原始影像進行正射影像。竣工測繪一般區域較小，地面一般較平整，因此DEM的編輯工作較小，有些高差小的可以通過直接賦予一個平均高程的方式生成DEM。用編輯完成的DEM與影像進行正射糾正，由于無人機航攝一般像片像幅都較小，新建的竣工地塊一般高層樓房較多，體塊較大，往往會跨度幾張像片，因此在DOM拼接編輯時要注意高層房屋的拼接情況，在保證房屋完整的情況下盡量使房屋倒向一致。另外，如只需影像索引及工作用圖時，可采用快拼的方法，即只進行影像自動鑲嵌拼接而不進行后期編輯處理，此方法拼接的影像在檢查飛行質量及像控布點時有極大用處。

4 總結與經驗

通過實際生產作業，我們認為無人機航空攝影測量在小區竣工測繪中的應用與下面一些因素有直接關系：

(1)影像質量

拍攝當天天氣晴朗，獲取的影像色彩均勻清晰，顏色飽和無云影，層次豐富反差適中，并且姿態保持穩定，影像質量較好，有利于后期空三精度的提高。

(2)相機嚴格標定與畸變差改正

由于無人機航攝采用的是普通數碼相機，與量測相機相比，普通相機像幅小、畸變大、飛行姿態不穩定等因素對空三精度影響較大，為滿足精度要求，我們需要對相機進行了嚴格的標定，并在空三加密前對影像進行了畸變差改正。

(3)空三軟件的性能

在利用SVS軟件進行空三加密過程中，軟件自動匹配得到的像點較多，另外通過軟件“二次轉點”功能，進一步加大匹配點的數量。通過迭代運算，軟件自動檢測并將粗差點剔除，獲得穩固的加密網。

(4)像控布設

此次項目測區面積約0.2 km2，通過不同像控布設方案的對比，在測區周邊均勻布設4個點，中間適量布1個～2個點即可滿足500測圖精度。較密的控制網對空三精度的提高意義重大。另個如果航飛時同步進行差分GPS進行定位，相信像控點的數量會大大差少。

(5)立體采集精度

由于無人機影像是采用普通數碼相機拍攝的，雖然經過了畸變差改正，但影像邊緣誤差較中心區域仍有所增大，在立體采集時需特別注意，盡可能不采用模型邊緣進行地物采集，以提高測圖精度，航向70%～85%、旁向50%左右的像片重疊度也為這樣操作提供了可能。

5 結 語

實踐證明無人機航空攝影測量在城市竣工測繪中能快速、高效地提供高精度、高分辨率的線劃圖與影像圖，采用無人機航測系統，效率高，成本低，靈活機動，應急反應快，并能大大減少外業工作量，且數據獲取可靠直觀。為城市及鄉鎮竣工測繪提供可能。但也存在飛行姿態不穩定、影像重疊度不規則、像幅小像片數量多、影像畸變大等缺陷。目前低空無人機航空攝影測量在城市測繪的應用還處于初級階段，在實際應用中還有許多需要探索的地方，如航飛的智能化及飛行時精密POS的獲取，解決加載大像幅、多鏡頭數碼相機，后期數據處理的自動化等，還需要不斷研究和總結。

[1] 張祖勛. 從數字攝影測量工作站(DPW)到數字攝影測量網格(DPGrid)[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2007.

[2] 何敬，李永樹，魯恒等. 無人機影像的質量評定及幾何處理研究[J]. 測繪通報，2010(4)：22～24.

[3] 杜全葉，陸錦忠. 無人飛艇低空攝影測量系統及其DOM制作關鍵技術[J]. 測繪通報，2010(6)：41～43.

[4] 凡亦文，劉海全，高文濤等. 無人機航空攝影測量在大比例尺測圖中的應用[A]. 第十七屆中國遙感大會[C]. 2010.

[5] 楊潤書，吳亞鵬，李加明等. 無人機航攝系統的特點及應用前景探討[J]. 地礦測繪，2011(27)：8～9.

[6] 中國標準出版社第四編輯室. 測繪標準匯編——攝影測量與遙感卷[J]. 北京：中國標準出版社.

[7] 王鵬. 淺析無人機1∶1000地形圖測繪中的應用及實踐[J]. 華北國土資源，2013(6)：83～85.

[8] 蔡雪梅. 淺析無人機在測繪中的應用[J]. 大科學，2013(19)：244～245.

Application of UAV Aerial Photogrammetry for Urban Construction Completion Acceptance

Chen Ling，Ding Yajie

(Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 2130002，China)

In multi-rotors unmanned aerial vehicle (UAV) photogrammetry platform，new residential area for the large scale topographic map surveying and mapping，quick get 1∶500 topographic map and orthography like figure，this article through to the UAV aerial photography，video，empty three encryption，three-dimensional acquisition，orthogonal projection like making method and process is introduced and the quality of analysis，expounds UAV aerial survey completed in city surveying and mapping in the actual application situation.

unmanned aerial photogrammetry；completion of surveying and mapping；1∶500 topographic map

1672-8262(2017)03-110-05

P237

B

2016—07—28

陳玲(1979—)，女，工程師，主要從事航空攝影測量、4D生產等相關技術工作。