基于無人機(jī)低空航攝的大比例尺地形圖測(cè)繪研究

王永忠　王蘭英　孫濤

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)航攝測(cè)繪在大比例尺地形圖中的應(yīng)用日益廣泛。本文主要從無人機(jī)航攝測(cè)繪技術(shù)的基本概述入手，深入研究基于無人機(jī)航攝系統(tǒng)的地形圖制作流程，力求通過研究分析，進(jìn)一步提升我國(guó)測(cè)繪工程的測(cè)量精度，為相關(guān)行業(yè)提供理論借鑒和參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)低空航攝；大比例尺地圖；正射影像DOM

在傳統(tǒng)大比例測(cè)繪中，通常采用數(shù)字化全要素測(cè)繪方法，依托大量人工進(jìn)行多源數(shù)據(jù)采集，即多使用靜態(tài)GNSS技術(shù)進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)，然后使用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與全站儀聯(lián)合測(cè)繪，完善碎部數(shù)據(jù)測(cè)量。相對(duì)于無人機(jī)低空航攝來說，傳統(tǒng)的測(cè)量方式需逐點(diǎn)去獲取數(shù)據(jù)，工程測(cè)量的效率較低，在大范圍工程地形測(cè)量中往往受到一定制約，無人機(jī)航攝測(cè)繪的大比例尺地形圖的應(yīng)用，恰能解決此類問題。

1、低空航攝系統(tǒng)的構(gòu)成

無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)（UAV），即由無人機(jī)硬件設(shè)備模塊、飛行控制模塊與低空航攝遙感模塊等構(gòu)成，涉及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊、GPS差分、多源影像數(shù)據(jù)獲取等現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪而言，無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)采集效率更高，由于無人機(jī)航攝方式多為低空飛行，對(duì)氣象因素要求較低、空域限制較少，數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性好，同時(shí)由于具備視覺角度廣闊、測(cè)量精度高且成本價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在公路市政、城市建設(shè)等大比例尺地形圖測(cè)繪領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。

2、無人機(jī)航攝成圖的基本流程

無人機(jī)航攝系統(tǒng)在大比例尺地形圖制作的基本流程，可分為技術(shù)設(shè)計(jì)、外業(yè)測(cè)繪、空三加密、內(nèi)外業(yè)調(diào)繪和資料整理五個(gè)過程。上述流程中，技術(shù)設(shè)計(jì)則包含方案、依據(jù)、進(jìn)度和具體實(shí)施等過程，外業(yè)測(cè)繪主要包含像控制量和低空的航攝測(cè)量?jī)纱蟛糠郑谕瓿蓸I(yè)內(nèi)的空三加密工作后，便進(jìn)行業(yè)內(nèi)的測(cè)量和外業(yè)的調(diào)繪工作，最后對(duì)地形圖進(jìn)行成果質(zhì)量檢驗(yàn)與相關(guān)技術(shù)文件的編繪整理。由于無人機(jī)航攝在高程控制上，相對(duì)于平面精度控制較為困難，其高程測(cè)繪應(yīng)滿足以下精度（表1）。

3、基于無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)的大比例尺地形圖測(cè)繪應(yīng)用

現(xiàn)有某區(qū)域擬開展規(guī)劃設(shè)計(jì)，缺少1：1000大比例尺地形圖，轄區(qū)面積約30平方千米，包括居民地、道路和農(nóng)用地等多種地類。該工程的項(xiàng)目時(shí)間相對(duì)較緊，傳統(tǒng)全站儀或GNSS測(cè)繪難以滿足工期要求，故擬采用無人機(jī)低空航攝的方法開展地形圖測(cè)繪。

外業(yè)控制測(cè)量方面，包含低空航攝線路規(guī)劃和外業(yè)控制點(diǎn)的布點(diǎn)兩方面。在航線規(guī)劃上，基本是按東西方向敷設(shè)一些航線，并且將旁向重疊度設(shè)置為55%，航向重疊度設(shè)置為65%，選擇晴朗無風(fēng)的天氣進(jìn)行拍攝。控制點(diǎn)布點(diǎn)方面，每個(gè)區(qū)域要橫跨四個(gè)布設(shè)基點(diǎn)，盡量選擇在旁向的重疊線附近。整個(gè)區(qū)域的布設(shè)原則基本為邊緣密布，測(cè)區(qū)的內(nèi)部均勻布置控制點(diǎn)，確保整個(gè)項(xiàng)目的平差和測(cè)繪精度。在像控點(diǎn)采集上，采用網(wǎng)絡(luò)RTK差分定位技術(shù)，求解布爾沙七參數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)后進(jìn)行像控點(diǎn)平面與高程數(shù)據(jù)測(cè)量，實(shí)際采集中獨(dú)立觀測(cè)兩次，平面的位置較差和高程誤差若不符合誤差標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時(shí)，應(yīng)進(jìn)行重新測(cè)量。

航攝系統(tǒng)的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析。在空三測(cè)量方面，無人機(jī)航攝系統(tǒng)在獲取航攝像片后，首先剔除不滿足航攝規(guī)范的明顯偏差影像，然后采用PhotoScan或Pix4D軟件，輸入RTK方式采集的像控點(diǎn)（x，Y，H）坐標(biāo)，進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)定向與平差處理。在相對(duì)的定向時(shí)，要對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行均勻分布，相對(duì)定向時(shí)，像素連接點(diǎn)要多于30個(gè)。在內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理方面，導(dǎo)入空三加密成果，按照內(nèi)外方位元素與影像糾正，結(jié)合影像鑲嵌與色彩平衡，得到測(cè)區(qū)DOM正射影像。

大比例尺線劃地形圖制作與成果質(zhì)量分析。基于正射影像DOM數(shù)據(jù)，按照地形圖式的要求，按照要素圖層分類，進(jìn)行地物和地貌的采集以及地形圖的編輯，最終完成1：1000地形圖制作工作，然后采取抽樣實(shí)測(cè)檢核的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查和成果質(zhì)量評(píng)價(jià)，檢查點(diǎn)要均勻的分布在整個(gè)測(cè)區(qū)之中，多選擇墻角、線桿和房屋角以及道路的交叉口等地物點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK方式對(duì)所測(cè)區(qū)域進(jìn)行精確坐標(biāo)采集，然后求解與無人機(jī)航攝DOM采集的坐標(biāo)差值，經(jīng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析，平面坐標(biāo)約7cm、高程精度9cm，滿足1：1000地形圖航攝標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語：

綜上所述，無人機(jī)低空航測(cè)成圖技術(shù)，擁有適用區(qū)域大、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本較低、速度快效率高、應(yīng)用機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地理國(guó)情普查、災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪等工程中，也為區(qū)域大比例尺地形數(shù)據(jù)更新提供了新的方式。由于是新技術(shù)，應(yīng)用中也存在一些短板，如飛行器的續(xù)航能力問題、姿態(tài)穩(wěn)定性問題、航攝相機(jī)性能問題、后期影像數(shù)據(jù)處理精度問題，這些都依賴各項(xiàng)設(shè)備性能不斷進(jìn)步、應(yīng)用技術(shù)的不斷探索來逐步解決，故加強(qiáng)無人機(jī)低空航攝大比例尺地形圖測(cè)繪的研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)性意義。