無人機在大比例尺測圖中的技術探討

王俊 鄒萌 楊瑩

(1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003；2.許昌奇升測繪有限公司，河南 許昌 461000）

測繪是國家建設的一項基礎性工作，更快更有效地獲取基礎數據一直是行業熱點。隨著技術的不斷發展，基于無人機平臺的航空攝影技術體現出獨特的優勢。無人機結構簡單、攜帶方便、成本較低、飛行空域不需要審批、不受起飛條件限制，分辨率高，信息采集精度一般為0.1～0.4米高分辨率；平臺可重復使用，且不存在時間間隔，便于信息的連續獲取；靈活性高，可執行無人區和高危區空間信息采集任務等。本次試驗采用河 南省測繪工程院自主研發的GCY-3號固定翼無人機，飛行姿態穩定，航拍時間較長，作業面積大，影像質量清晰，對后期的空三加密有很大優勢。以測區1∶500地形圖為例，結合測區實際，介紹了無人機低空攝影測量應用于1∶500測圖的實踐過程，并對精度進行了分析。

1 無人機平臺及傳感器參數

1.1 無人機平臺參數

試驗采用無人機的詳細參數如表1、表2所示。

表1 作業參數

表2 無人機配置硬件參數

1.2 傳感器參數

測區航飛采用賓得645D相機，賓得645D是一款中畫幅級別的數碼相機，采用最新的PRIME Ⅱ影像處理器，有效像素高達4000萬，經測試畸變精度更標準。具體參數如表3所示。

表3 相機參數

2 無人機低空航攝

測區位于桐柏縣安鵬鎮建成區及化工城區域，高層建筑占3/4，總面積約10平方公里,分辨率0.05米，地勢相對平坦。無人機通過滑跑升空，滑跑降落回收。

2.1 技術設計方案

為滿足測繪市場對無人機精度的需求，檢驗無人機低空攝影對地形圖測繪的精度要求，選擇平坦地形作為試驗區[1]，進行1∶500地形圖航空攝影測量。為確保影像質量，按照《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影規范》（GB/T 6962—2005）設計技術方案。地面分辨率為0.05米。航線按常規方法設計，平行于測區邊界線的首末航線一般設計在測區邊界線上或邊界線外，確保測區邊界實際覆蓋不少于像幅的30%。在便于施測像片控制點及不影響內業正常加密時，旁向超出測區邊界線不少于像幅的15%，可視為合格。考慮飛行中航線及姿態的保持情況，要相應地增加旁向重疊率[2]。

2.2 航線規劃

根據測區實際情況，航線設計相機焦距為35 mm，相對航高為288 m，分辨率為0.05 m，航帶間隔為240 m，相機拍攝間隔為131 m。

3 像片控制點布設和空三加密

3.1 像片控制點布設

測區利用無人機航空攝影技術，采用區域網像控布點。為滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量外業規范》（GB/T 7931—2008），像片平面控制點和高程控制點相對鄰近基礎控制點的平面位置中誤差不應超過地物點平面位置的1/2，高程控制點和平面控制點相對鄰近基礎控制點的高程中誤差不應超過基本等高距的1/10[3-4]。區域網大小為12條航線和140條基線，像控點采用GPS RTK進行測量。測區共布設110個像控點，24個檢查點。1、3、5航線上下刺像控點，2、4、6航線左右刺像控點。像控點一般應布設在航向及旁向六片或五片重疊范圍內，確保盡量公用。

3.2 空三加密

空中三角測量采用JX4數字攝影測量工作站進行空三加密，限差設定值是按《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》（GB／T 7930—2008）中關于內定向、絕對定向的限差的一半來要求的；采用半自動作業直接選取標準點位（測圖定向點，也叫人工點），然后用數字影像匹配技術產生大量的同名點（自動點），最后人工點、自動點一起平差計算[5-6]，通過光束法區域網整體平差得到加密點成果。將空三加密成果導入立體測圖，對像控點進行檢查。

通過立體反像控，對誤差較大的點進行原始像控核對，空三再對粗差點較大的點進行立體核對，滿足規范要求的輸出成果。

4 地形圖數據采集

試驗在全數字攝影測量軟件JX4系統上進行地形圖要素數據采集，在全數字攝影測量工作站上進行立體采集地形要素數據時[7]，要求在像對定向中將加密后的像控成果直接導入測圖工作站。內業測繪時應根據影像上地物的構像所形成的幾何特性和物理特性，如形狀、大小、色調、陰影和相互關系等[8]，來識別地物內容和實質，確定所有地物的輪廓特征。對立體判讀有疑問的影像要加注說明，盡量為下一工序提供準確、可靠、完整的數據[9]。在最后的采集初編圖中，測定的點狀地物要在其幾何位置中心，線狀地物要連續，面狀地物的外圍邊線要連續且使圖斑封閉。

由于本測區處于平原地區，高層建筑占3/4，為檢測成果的可靠性，在測區不同區域采用GPS RTK采集30個明顯地物點,對內業成圖數據進行檢查。檢測點坐標差值統計如表4所示。

表4 檢測點坐標差值統計表

對內業數字地形圖中的30處地物點精度進行評定，依據《測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 24356—2009）規定，檢測地物點的點位中誤差的計算公式，按高精度檢測，其中誤差計算為：

按照《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）6.1.6條規定的限差0.5×M=0.5×500=250（mm），本次測繪1∶500比例尺數字地形圖，在采用無人機航測成圖時，經檢測地物點點位中誤差小于地形圖成圖規定的中誤差，即在被測地物滿足無人機航飛要求的條件下，采用無人機測量技術測繪1∶500比例尺數字地形圖是可行的。

5 影響無人機航測精度的因素

（1）天氣狀況對飛行器姿態和成像質量的影響而產生誤差。（2）人的感官鑒別能力、技術水平和工作態度等因素帶來的誤差，以及外業像控和像控識別、空三加密、立體采集產生的人為誤差。（3）相機檢校是影響精度的主要原因，目前選用的是中幅面CCD作為傳感器的感光單元，經過加固和電路改裝以后，成為具有穩定內方位元素的數碼相機[9-10]。隨著航飛架次增多，相機的感光單元會偏移越來越大，精度誤差會更大，畸變差的存在使測量成果無法滿足精度要求。（4）內業數據采集分為空三加密與立體量測。像控點識別與判讀會與外業實際位置產生誤差，空三加密也會有誤差，還有立體采集量測時的切準誤差等。

6 結束語

本文介紹了無人機應用于城鎮居民區大比例尺地形圖中的作業流程和精度報告，利用無人機機動、快速航攝等特點，獲取高分辨率的影像，通過后期技術處理，進行地形圖測量，試驗精度完全滿足要求。近年來，無人機低空攝影測量是測繪行業快速獲取數據的一種新技術，隨著無人機技術的完善，相機的分辨率會越來越高，精度越來越有保證，應用領域將更加廣泛。