無人機航測技術在1∶1000帶狀地形圖制作中的應用研究

□ 楊 超 王豪威

（核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

0.引言

作業區內水庫為所在地區重要水源地，是以防洪為主，兼顧城市用水、灌溉、發電等綜合利用的大型水利樞紐工程。因此需要修建圍擋來保護水源地和群眾的安全，測繪對圍擋修建工作提供數字化地形圖用于設計，以保障圍擋設置恰當、位置準確。

圍擋建設1∶1000帶狀數字化地形圖測繪（以下簡稱項目）帶寬為50m。帶狀地形圖的測量可采用全野外數字測圖以及傳統航空攝影測量技術，因工作區高差較大，部分地區地貌破碎，局部山地受地形影響，作業人員不易到達，導致地貌表示不夠詳細，且測繪難度大，效率低，地形圖精度不均勻,以及測區內植被覆蓋率高，且多荊棘類植物，故全野外模式難度較大；雖然傳統航空攝影測量技術成熟，應用廣泛，但是對于天氣和機場等條件依賴性大，并且成本較高，所以限制了其在帶狀地形測量中的應用。通過有效的像片控制測量實驗驗證，無人機航測技術可以有效解決以上作業方法無法解決的問題。

1.無人機系統簡介

無人機航攝技術是傳統航空攝影測量和全野外數字化成圖等技術的有效補充手段，適用于小面積、危險區域的大比例尺數字地形圖測繪，就目前而言，無人機航攝技術已在建筑、水利水電、農業、公路鐵路、礦山以及城市建設等多個領域廣泛應用[1]。

以天巡AS1200無人機航空攝影測量系統為例，該系統屬于單相機系統、固定翼單發射型無人機，機長800mm，翼展1230mm，飛機凈重900g，有效巡航時間大約0.5h，該無人機相機系統采用經精密檢校的Sonyα5100相機，焦距20 mm，像元尺寸0.0039mm。可以通過規劃不同航高的航線獲取不同地面分辨率的影像，根據項目工作區情況，規劃航高300m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，影像地面分辨率5.85cm。不同影像地面分辨率滿足不同比例尺數字地形圖成圖要求（如表1所示）。

表1 數字地形圖成圖比例尺與影像地面分辨率對應表

然而，如何進行像片控制測量為后期提供符合精度要求的空三加密數據滿足內業地形圖數據采集成為關鍵技術。

2.技術應用分析

以項目為例，利用無人機航空攝影測量制作1∶1000帶狀地形圖的流程（如圖1所示）。

在準備工作完成后，首先在工作區布設GPS控制點10個，建立了E級GPS首級控制網，點位分布均勻，網型規則，可以有效地限制誤差的的累積和傳播，為像片控制測量提供準確的起算數據。

在E級GPS首級控制網的基礎上進行有效的像片控制測量，像控點的布設密度及分布情況，直接影響內業數據采集精度。

圖1 無人機航攝流程圖

根據 GB/T7930-2008《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》以及GB/T 23236-2009《數字航空攝影空中三角測量規范》的要求，通過對像控點的刺點，進行空中三角測量的自由網構建和優化平差；利用空三加密成果構建立體模型，在全數字攝影測量工作站進行采集和編輯，提供滿足規范要求的地形圖數據成果。

2.1 像片控制測量

由于無人機獲取的影像像幅小，航片間重疊度大，同等條件下無人機影像無論是航線數還是像片總數都遠遠大于常規航片數，依據航空攝影測量規范像控點選擇時應遵循以下原則：（1）選在無遮擋，清晰易辨的地方；（2）布設的像控點宜能公用，一般布設在航向及旁向六片或五片重疊范圍內；（3）為保證交會和定向精度，像控點距離方位線（影像邊線即相鄰像片像主點的連線）的距離不應小于3cm。根據地形圖航空攝影測量外業規范，1∶1000地形圖布設像控點時應按照6～7條基線布設1個像控點，這樣外業工作量會大量增加，在滿足航空攝影測量規范的前提下，既要滿足地形圖的精度又要提高工作效率，合理地進行相片控制測量顯得尤為重要。

結合作業區內水庫地理概況和1∶1000地形圖的成圖精度要求，進行測區像片控制點的布設。相控點的布設方式采用預制50cm×50cm木板，噴涂紅色油漆，在測區控制網的基礎上使用GPS-RTK系統進行實地測量，因作業區無明顯特征點，故采用預制的木質標志，方便攜帶且清晰醒目便于辨別，標志示意圖（如圖2所示）。

圖2 布設的標志示意圖

因庫區周邊以山地為主，中線彎曲不規則，航片的分布也不規則，所以采用稀疏布點的方法進行像控點的布設，稀疏布點是指在野外布設少量的像控點，然后通過內業加密的方法得到其余大部分控制點的布點方案，從而達到作業區的整體布設[2]。以5公里中線為例，布設像控點時間隔10～11條基線布設2個像控點，即500m間距布設2個像控點,中線兩側各布設1個像控點，外業共布設像控點22個，檢查點10個。此段中線像控點布設示意圖（如圖3所示）。

圖3 像控點布設示意圖

2.2 精度分析

在像控點布設完成后、經空三加密及內業測圖，外業采用相同精度的GPS-RTK系統和全站儀在測區進行重要地物點的檢查，如房角、明顯道路邊角、坎拐角等具有代表性的特征點，從而對像控點密度影響地形圖精度做了較為詳細的對比。以上述5000m的中線為例，檢查點個數為10個，分別對比了像控點間距1500m、1000m以及500m對地形圖成圖精度的影響。像控點間距影響的地形圖精度分析表（如表2所示）。

表2 精度分析表

通過表1中的對比分析，布設像控點時每隔500m間距在中線兩側各布設1個像控點可以達到1∶1000地形圖成圖規范要求。

數字線劃圖圖上地物點平面位置精度對鄰近野外控制點的平面位置中誤差不應大于表3之要求。

表3 平面位置中誤差

高程注記點相對于鄰近平面控制點的高程中誤差不應大于相應比例尺地形圖基本等高距的1/3。困難地區放寬0.5倍。

內業加密點、高程注記點和等高線對附近野外控制點的高程中誤差不應大于表4之規定。

表4 高程中誤差

作業區共檢查平面點44個，平面中誤差為0.352m，平面中誤差中∶最大誤差為0.711m。其中，小于等于1倍中誤差的點有25個，占檢測點數的56.8%;大于1倍中誤差小于2倍中誤差的點有17個，占檢測點數的38.6%，大于2倍中誤差的點有2個，占檢測點數的4.6%，其誤差分布區間（如表5所示）。

表5 平面誤差分布區間表

共檢查高程點133個，高程中誤差為0.329m，高程中誤差中∶最大誤差為0.479m。其中，小于等于1倍中誤差的點有41個，占檢測點數的30.8%;大于1倍中誤差小于2倍中誤差的點有92個，占檢測點數的69.2%，其誤差分布區間見表6，表7為部分精度統計表。

表6 高程誤差分布區間表

表7 部分精度統計表

從上述像控點布設的對比以及野外檢查點的精度分析說明無人機航攝技術可以滿足1∶1000地形圖平面中誤差±0.60m以及高程中誤差±0.50m的成圖規范要求。

3.結束語

由于無人機航攝技術成本低、投入人員少、機動靈活、現勢性強、數據處理速度快等優勢，適用于復雜及危險區域的測繪工作，有效地解決了全野外模式和傳統航空攝影測量在帶狀地形圖測量中未能解決的問題。但同時無人機航攝技術限制于天氣因素，雨霧天氣均會影響無人機的飛行。

本文重點研究利用無人機技術在1∶1000帶狀地圖制作中的應用。經過驗證，該方案可以滿足1∶1000地形圖制作相關規范，因此無人機技術在帶狀地形圖測量中優勢明顯，節省了人力并且能夠很大程度上節約成本和提高生產效率。但采用本方法在大面積灌木、森林區域進行地形圖測繪受到了極大限制，如何解決大面積灌木、森林區域的地形圖制作將是下一步工作的重點。