無人機低空遙感測繪大中比例尺數字化圖的實踐與探索

劉靜

（廣東置信勘測規劃信息工程有限公司）

摘 要：隨著科學技水平不斷發展與提高，使得測量技術的發展、更新的速度也在加快；應用領域也越來越廣，國家的需求也越來越大，人們的期望值越來越高；偉大的時代，需要偉大的人民，更要有高、新的尖端技術來支撐，測量技術也不例外。從過去的常規測量向當代的數字化、智能化的測量技術過渡，使得測繪的領域發生了深刻的變化。目前測繪的方法更豐富、測繪的手段更明確、測繪的周期更短、測繪的人力成本更少、測繪的成果更加多樣化。特別是二000年以來，由于國家、省級、地方各部門對城市、水利、農業、環保、公路等基礎設施加大了投入，工程項目存在量多、時間緊、任務重、人手緊等問題。自然而然就催生了數字航空攝影測量、三維激光掃描測量、無人機低空遙感攝影測量、激光雷達測量、水下機器人攝影測量等測量新技術。無人機遙感測繪伴隨近幾年電子技術的飛速發展，加大了點云數據后處理軟件的引進及開發力度，1：1000及1：2000的正射測量得到了足夠的技術驗證和很好的應用；特別是在平原、丘陵地區的水利項目：小流域規劃、灌區續建配套與節水改造工程；農業高標項目；提高V級以上航道通航能力的改造工程項目；農經權確權頒證等項目已經成為測量的首選，無人機低空遙感測繪是一種新型的測量技術，其優勢是很明顯的，測量工作中能發揮出全能性、全天候、全球性以及精密性等特點，且有著較高的精度，應用價值極高；但城市規劃、城鎮地形地籍、農村地籍等項目以及在多山地區、建筑物密集區域還面臨巨大的挑戰。本文主要對無人機低空遙感攝影測量技術進行分析及探索。

關鍵詞：低空無人機；遙感攝影測量；大中比例尺數字化測圖；實踐；探索

從航空攝影測量發展歷程來看，攝影測量分為傳統及現代：二十世紀三十年代的模擬攝影測量到七十年代的解析攝影測量，再到今天的遙感、掃描等數字攝影測量。前后經歷了快一個世紀的跨越。主要得力于計算機技術的廣泛應用及數字圖像技術的發展、點云數據后處理軟件的引進和大力開發，使得數字攝影測量內業處理能力有了極大地提高，內業處理時間極大地縮短；同時，由于攝影測量的理論研究與應用技術、相關學科不斷發展提高，使得航測成圖儀由過去只能進行1：5000或1：10000、1：50000等小比例尺地形圖的測繪及相應的模擬法空三測量，到現在的解析測圖儀以及全數字測圖系統能夠處理1：2000等中比例尺乃至1：500、1：1000等更大比例尺全自動數字空三測量。從攝影測量到最后成果成圖步驟來看，無非三個方面：航測外業及內業、線劃圖。外業需完成航拍，提供滿足航測內業要求的航片；內業需完成從航片制作到提交成果成圖的全過程；不管是傳統航空攝影測量還是現代的數字航空攝影測量也好，航測內、外業作業過程基本相同。現場踏勘、資料收集、設備的前期準備：飛機系統的調試、相機檢校、航線規劃、數碼影像、機載POS數據，然后對實地按計劃進行拍攝；再進行像控測量、飛行質量檢查等，對數據進行預處理；根據現有數據基礎（是否地方坐標系）、空三解算、對影像進行勻色處理、正射影像、正幾何精糾等數據后處理后再影像套合、生成DEM、DOM單模型、正射影像分幅、輸出完整的影像地圖數據、地形圖外業調繪、最后提交滿足要求的相應比例尺的成果成圖。

1 無人機航空攝影測量技術概述

無人機低空數字航空攝影測量是由傳統載人航空攝影測量演變而來的。二十世紀九十年代以前傳統航空攝影測量主要由各個省、自治區、直轄市測繪局航測大隊負責航片的拍攝工作。其它單位的航測分隊進行像控點的標、刺、測；然后進行內業空三加密解算；再進行立體測圖；外業調繪及修補測；最后完成小比例尺成圖。其明顯缺點：傳統航空攝影測量外業審批手續繁瑣；載人飛機起飛、降落、拍攝時相對航高要求較高，受空管嚴格限制；拍攝過程中受天氣、氣候、風向影響較大、時間長、成本高；內業成圖工序復雜、周期長、費用高、受專業技術及內業成圖經驗影響因素較大且成圖比例尺小、成果單一；難以快速獲取空間數據，無法滿足國家經濟建設的需要，一般企、事業單位都無法成立這樣的測量單位，不便于廣泛開展航空攝影測量工作。

在2000年前后，隨著我國科學家提出：“數字中國”概念后。“數字省區”、“數字城市”、“數字社區”相繼出現。加之計算機寬帶高速網的建設、3G（GPS/RS/GIS）集成技術日趨成熟，使得高分辨率遙感影像、空間信息技術、空間數據基礎設施、大容量數據存儲和元數據、科學計算、可視化及虛擬現實技術得以實現。測繪領域諸多方面與其緊密相關。因政府部門要求在應急、防災、救災方面做出精準的部署和評估，需要相關部門實時提供準確的信息。這就需要在短時間內快速獲取大量的空間數據和實時遙感影像。無人機低空遙感攝影測量自然而然就產生了。

低空無人機數字航空攝影測量滿足了國家、部門的：快速、實時、高分辨影像、空間數據等需求。使得發展無人機低空遙感系統成為當今乃至今后數字航空測量的主流。它與傳統航空攝影測量具有不可替代的優勢：地方行業協會批準即可；無人機起飛、降落不需要專業機場，環境要求低；低空飛行，一般航拍高度200米至1000米左右，不受空管嚴格限制（機場附近除外），受云、云影、煙、云層影響較小；無人機搭載高性能數碼相機，低空可獲取地面0.05米的高分辨率的地形地物影像；不需要專業維護人員進行專業維護、保養，人力成本極低，固定翼超輕型無人機工作時只需3人左右；無人機性價比高，一般企事業單位均有能力購買。但它的缺點也明顯：無人機工作時易引發安全事故；載荷小易破壞；速度快抗風能力差；電子信號遙控時易受外界干擾；飛行姿態難以控制，易出現大傾角、大旋偏角；鏡頭畸變大，空三解算前要對原始影像進行畸變校正；影像重疊度高且不均勻、不規則；像幅小、基線短、基高比小、影像數據后處理量大，需借助專業后處理軟件處理；影響成果成圖精度不高的因素較多。如果低空無人機攝影測量技術主要是面向地理定位、無線自動化以及航空信息采集等多方面的應用的話，那么無人機低空遙感數字航空攝影測量技術就是航空攝影測量的智能化的具體體現。

2 無人機低空遙感攝影測量技術在1：2000、1：1000工程項目中的實踐

隨著國家2000年以來，在高、新、難技術上的巨大投入，高校、院所、企事業單位加大了數據處理軟件研發力度，使得無人機低空遙感攝影測量技術日趨成熟，在1：1000、1：2000基礎測繪、工程項目中得到廣泛的實踐運用。

項目背景：廣東省水利廳2000年以來，在全省各地開展了小流域規劃及2012年開展灌區配套與節水改造工程試點的專項水利工程以及2012年農業部開展的高標準農田專項工程。作者承擔了廣東某市一個縣五個水庫灌區配套與節水改造工程1：1000測量工作以及上述鎮區的高標準農田工程1：2000的測量工作。縣水利局、縣農業局要求：

（1）測繪資源共享：一次測量，一套成果，兩個項目共用，節省開支。

（2）半個月提供項目的可研性階段的測繪資料；三個月內提交所有成果成圖資料給設計單位進行初步階段設計。

（3）水利項目施測重點：灌區內的灌排渠、主干渠、干渠；高標項目施測重點：灌區內的分干渠、支渠、田塊間的毛渠以及田塊間的大車路等，這也是兩個項目施工的側重點不同所致。

項目概況：灌區配套與節水改造工程與高標準農田項目雖然成圖比例尺不同；但測繪的內容也高度契合：主要施測灌區內的水渠及田間地塊的大車路等。同時水利項目還需實測縱、橫斷面圖及水陂、新改建水利附屬設施1：200或1：500大樣圖、橋涵調查等，而高標項目需測注溝底高程、標注溝寬及測注大車路寬度等。

工程量：測圖面積15萬畝，灌渠總長498千米，新改建水利附屬設施412座，橫斷面總長50千米，大車路15千米，每隔200米左右施測GPS-RTK施工點一個等。本項目時間緊、工程量大、人手嚴重不足。按常規測量方法是無法完成的。但通過單位的技術部門論證：

（1）水利項目和高標項目成圖比例尺1：1000，測圖方式：無人機低空遙感攝影測量。

（2）水利項目的縱、橫斷面及水陂、新改建水利附屬設施1：200或1：500大樣圖等使用全站儀配合GPS-RTK進行施測。

（3）灌區內植被（竹林、灌木叢）濃密地方測圖方式：采用航測與全站儀配合GPS-RTK修補測方法進行。

技術實施方案：

（1）航外拍攝技術方案：航拍用固定翼無人機搭載檢效后的數碼相機、航攝比例尺1：3000、飛機地速65km/h、基準面平均高程10米、相對航高200米、一般航向重疊度80%、一般旁向重疊度60%及其它航線號、航線間隔等。

（2）像控點測量：起算點采用廣東省國土廳施測的GPS-D級、E級點（平面系統為西安80，中央子午線38°帶114°，高程系統為1985國家高程基準）。全灌區采用了20個GPS-E級點，利用網絡CORSRTK采點，按七參數求解平面轉換參數及利用廣東省似大地水準面精化模型將像控點的大地高轉換到正常高等，將轉換參數輸入RTK手薄。

（3）其它技術方案均執行相應的《規范》，這里不再敘述。作業流程：主要有六大部分：a.對源數據進行預處理；b.正射影像圖或分幅圖制作；c.線劃圖制作；d.外業調繪及補測；e.根據外業調繪內容先上圖，對地物（包括房檐、陽臺、飄樓等）進行改正，由于本項目地物少，直接人工修改，不需軟件處理；然后補測的數據與1：1000線劃圖在CAD環境下進行套合，若線劃圖有少許偏移時，根據外業實測點成果（均勻分布灌區，數量要盡可能多）對線劃圖進行糾偏。f.檢查：根據外業實地采點數據、橫斷面數據、水利附屬設施大樣圖數據、施工控制點、橋涵調查數據等對1：1000數字化圖進行平面、高程檢查。

精度情況及分析：

（1）GPS-RTK采點15983個，全站儀采點8558個一共24541，I類誤差點19636個，占總檢查點的80.1%；I類誤差——II類誤差點4534個，占總檢查點的18.5%；II類誤差以上（粗差）點369個，占總檢查點的1.4%。最后檢查結果：平面中誤差Ms=±8.73cm，高程中誤差Mh=±12.16cm，滿足規范要求。

（2）I、II類誤差點主要分布在田塊及通視條件較好地方，粗差主要分布在灌木叢、竹林、山地，檢查后對這部分地形使用全站儀配合GPS-RTK進行了重新測量。

（3）從檢查結果及精度統計來看：無人機低空遙感攝影測繪1：1000或1：2000數字化測圖精度能滿足規范要求，也一定能滿足施工的需求。

作者從2012年后至今，陸續承擔了1：1000公路（總長85.368千米）擴寬改造測繪工程項目；承擔了1：2000航道（總長75.3千米）提升通航能力改造測繪工程項目；承擔了1：2000高標農田測繪工程項目，測圖均采用無人機低空遙感攝影測量配合GPS-RTK、全站儀修測方法進行。從這幾個項目最后檢查驗收結果、施工方反饋信息來看，無人機低空遙感攝影測繪1：1000或1：2000能滿足規范及施工方要求。

要想獲得高精度的成果，作者從一下幾個方面來闡述：①航拍外業開始前，準備工作尤為重要：收集資料、測區了解、航飛器的檢查與檢校；技術方案的編寫；要突出工程項目主體；制定好航拍時的航線、航拍比例尺的精確確定、相對航高是多少等。②要想精度好，一定要拍攝好航片。③數據的預處理要認真、細致。④像控點的布設、施測以及標、刺等一定要按規范和技術方案執行。只有這樣，空三加密解算精度才有保證，最后才能得到一幅質量極高的正射影像圖。⑤線劃圖與外業采點數據一定要套合，對線劃圖在CAD環境下進行糾偏，采點數據一定要夠數量足夠且均勻分布測區，再采點檢查。

3 無人機低空遙感攝影測量能否滿足1：500或更大比例尺的城市測量規范要求呢？

作者2009年3月承擔了廣東某市一個鎮的1：500數字化測圖（城鎮二調202建設用地圖斑），測圖面積0.998平方千米，困難類別III類。單位技術方案要求：

（1）使用全站儀全解析施測1：500數字化圖。

（2）無人機低空遙感攝影測量配合全站儀施測1：500數字化圖（試驗性）。

我們項目部使用兩套人馬，傳統測量人員按老方法按部就班使用全站儀施測，另外人員用第二套方案開展工作。測量控制數據共享，鎮區像控點使用全站儀按要求布設。

（3）檢查：全解析法測圖按城規要求執行，采點1386個；航測同樣按城規要求執行，另使用全站儀采點1523個。

（4）精度統計結果及分析

①全解析法測圖精度：I類誤差點1302個，占總檢查點的93.9%；I類誤差——II類誤差點69個，占總檢查點的5.0%；II類誤差以上（粗差）點15個，占總檢查點的1.1%，平面中誤差Ms=±3.2cm，高程中誤差Mh=±6.8cm，滿足規范要求，質量評為優。

②航測線劃圖精度：I類誤差點1536個，占總檢查點的52.8%；I類誤差——II類誤差點1097個，占總檢查點的37.7%；II類誤差以上（粗差）點276個，占總檢查點的9.5%，平面中誤差Ms=±7.8cm，高程中誤差Mh=±16.3cm，不滿足規范要求，質量評為不合格。

③本次無人機遙感攝影測量1：500數字化測圖（試驗性）結果雖然不太理想，但測量人沒有停止探索的步伐。其原因：a.能否將無人機改為載人直升機？提高飛行器在拍攝過程中的穩定性，用載人直升機作為飛行平臺就可以通過降低航高方法解決，為了能達到《1：500，1：1000，1：2000地形圖航空攝影測量內業規范》（GB7930-2008）規定的1：500測圖精度要求，采用高精度的相機檢校方法。對傳感器進行多個攝站的檢校平差，從而得到更為精確的檢校參數，使相機的像素中誤差達到0.15～0.2個像素。如此的檢校精度，遙感設備完全滿足1：500成圖的要求，在數據預處理的過程中代入相機畸變差的檢校參數消除畸變。b.當時數據后處理軟件功能沒有現在的軟件自動化那么高、那么強大。目前現代航測自動空中三角測量MAP-ATV2.6+軟件對影像進行正射糾正。本軟件可直接利用現有DEM，也可以由該軟件自動生成DEM，對影像進行正射糾正，可大大提高影像糾正的速度，有效地縮短工期；根據單模型DEM及像片內外方位元素、影像分辨率，采用微分糾正方法進行糾正及影像重采樣，生成單模型DOM。1：500DOM影像分辨率為0.1米；根據圖廓坐標來設定鑲嵌范圍，指定文件存放路徑，執行影像鑲嵌命令，自動拼成整幅的DOM；影像鑲嵌完成后，認真檢查所生成的DOM，對接邊區域內部分出現影像模糊、影像遺漏的地方，應給予修補，測區內的影像鑲嵌應采用人工方法進行，防止出現高層建筑因投影方向不一致而產生的影像扭曲變形。c.能否在使用高精度POS相機的正攝影像的基礎上，使用強大的空三解算及立體測圖的軟件，獲得房屋的1：500屋檐線劃圖。在空曠的地方，使用GPS-RTK布控整個測區的掃描校正點，使用移動掃描儀，對城區地物（如房角）進行移動掃描呢？答案是肯定的。

4 無人機低空遙感攝影測量配合2D移動掃描儀測繪1：500數字化圖（試驗性）

2017年3月，作者參與了廣東某市一個鎮的1：500地形地籍圖利用無人機低空遙感攝影測量配合2D移動掃描儀的測繪工作。航飛面積1.0平方千米，作圖0.51平方千米，困難類別III類。隨著經濟的增長和測繪信息化的不斷發展，無人機低空遙感測繪在1：500或1：1000大比例尺測圖中的應用提出了極高的、迫切的期望：

（1）如何有效解決無人機姿態不穩定帶來的誤差？

（2）由于城中村建筑不規則，無法有效提取墻角坐標等問題？

（3）如何提高外業調繪的效率都成為擺在測繪人面前的挑戰？

本次利用無人機低空遙感攝影測量配合2D移動掃描儀測繪1：500數字化圖是試驗性的；本項目平面系統為本市CORS坐標系，高程系統為本市的似大地水準面精化模型正常高；用網絡CORS或全站儀施測像控點，一共布設了72個。

（1）飛行器為固定翼無人機。

（2）機載AMC135高精度POS相機：該系統為高精度POS、單反相機及專業正射測量云臺整合設計成一體的相機系統，采用進口多星高精度GNSS+IMU慣導系統，采用動態后處理模式，保證測區數據處理精度可以達到5cm以內。

系統特點：①采用高分辨相機嚴謹的鏡頭校驗，達到測圖的相關要求。

②采用專業正射測量云臺，確保相片可立體量測。

③包含ApplanixUAVPOS系統，極大的減少外業布控及作業成本，采用WGS84坐標系統，無需控制點，轉換成本地坐標，每個區域只需3-5個控制點。

④提供完整的UAV作業流程，從影像飛行到DSM，DOM成果。APX15POS性能指標：（如表1）

（3）高精度2D移動掃描儀：在使用高精度POS相機的正攝影像的基礎上，使用航天遠景的空三解算，立體測圖的方法，獲得房屋照片1：500的屋檐線劃圖；在空曠的地方，使用GPS-RTK布控整個測區的掃描校正點，其他地方用全站儀施測控制點，為2D移動掃描儀的城區的掃描做準備。

（4）現場調繪平板：測繪通是一個基于android平臺的專業的CAD/GIS基礎平臺軟件，在此平臺上已經延伸出了多種行業應用解決方案，如測繪地形測量、地理國情普查、林業二類調查等等專業應用，騁天測繪通支持各種電子全站儀、GPS輸出數據，支持autoCAD的DXF格式數據，并全面兼容CASS的圖形符號庫，支持GIS的各種圖形、圖像、屬性數據，是基于安卓移動設備的移動地理信息數據采集、處理的平臺軟件。那么，以上機載硬件和內業軟件可以解決或改善：①使用高精度POS改善無人機姿態誤差；②高精度2D移動掃描儀，高效掃描不規則建筑面，有效獲得墻角數據；③電子調繪平板，疊加無人機正攝線畫圖+2D掃描線畫圖，使用測距儀+皮尺高效現場調繪，現場清繪。

試驗時間：①航拍2小時；②施測像控點6小時；③內業處理一個星期。

試驗結果：①正射影像圖精度較好，只有三個地方平面精度超限，高程精度普遍在II類誤差，有一小片房角高程在30cm左右；②掃描點云數據經過數據后處理及拼合后，仍然存在與正射影像圖不能很好拼接的問題。主要是本區域施測的房屋密集、雜亂無章、房屋不規則。使得掃描的點云數據存在：①噪音；②重疊處數據冗余；③反射點數據太多；④正射影像陰影遮擋部分數據與掃描點云數據兩者都無法獲取，從而造成個別“漏空”現象等。本圖塊全解析法測圖未完成。抽時間將本圖塊進行外業調繪后再進行精度統計。

結束語

無人機低空遙感攝影測量技術的實際應用具有較多特點，其效率高、測量周期短，且成本低。它能滿足1：1000、1：2000在城規、水利、公路、航道、礦山等方面測繪工程項目。能否滿足1：500及更大比例尺測圖精度要求？或能否被廣泛推廣？作者認為：只是時間問題。當前，載人低空遙感攝影測量，無論機載高精度POS機或機載激光雷達，精度都能滿足1：500測圖要求；無人機在現有條件下，機載高精度POS機或機載激光雷達配合地面移動掃描儀，輔助強大的點云后處理軟件，制作出1：500或更大比例尺的、高精度的正射影像圖和線劃圖并被廣泛運用，達到人們的期望指日可待了。

參考文獻

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致謝：廣東海偉地恒空間信息技術有限公司、廣州瑞徠測繪科技有限公司技術部的同仁及王帆總工。