大比例尺地形圖低空航測關鍵技術探究

韋生波

（機械工業勘察設計研究院有限公司，西安710043）

1 引言

我國通過借助低空測量技術對大比例地形圖進行繪制已經開展了十幾年，但是航攝地形圖的精度仍然有待提高，并且在對平原以及丘陵地、高山等特征點較為稀少的區域進行大比例尺測量時，航測技術還存在很多問題。因此，進行大比例尺地形圖低空航測關鍵技術的分析與研究勢在必行。

2 大比例尺地形圖航測生產關鍵技術

2.1 寬角相機的采用

攝影測量通常指的是運用攝影機對目標物的形狀、空間位置以及大小進行準確測量。根據相關測量原理可知，在對大比例尺地形圖進行航測的過程中，航空相機的像場角會對最終的地圖精度有較大的影響，因此，在測量過程中，需要根據具體情況合理選擇攝像機：（1）進行高緯度航測時，應使用像場角較小的相機。另外，為了確保航測的準確性，應在測量過程中使用高精度穩定攝影平臺，并且安裝相應的姿態定位系統。（2）在低空進行航測時，可以使用寬角相機。（3）在測量過程中，使用質量較輕且無人駕駛的小型飛機時，應盡可能使用體積小且質量輕的寬角相機[1]。

2.2 低空拍攝關鍵技術

低空航攝方法可以在一定程度上提高航測的精確度。低空航攝對拍攝技術要求較高，在實際拍攝過程中，相機的曝光參數要能滿足拍攝要求，還要保障拍攝質量和設備的安全性，并在特定范圍內完成相應的測量任務。另外，還需要確保無人機的飛行高度保持在安全范圍，盡量維持在不等寬高的航線內。在低空航測過程中，不僅需要注意配置的相應程度，還要對影像的匹配度進行強化，從而提高控制點的測量精度，進而確保空中三角測量精度的提高。

2.2.1 充分發揮POS 系統的優勢

POS 系統即定位定姿系統（Position and Orientation System,POS），集慣性導航與衛星導航技術于一體，可以記錄飛機飛行時的空間位置及姿態信息，并采用多信息融合技術分別對POS 系統進行實時與事后處理，獲得高精度定位定向信息。POS 系統包括慣導（INS）部分、差分GPS（DGPS）部分、POS 計算機處理器件以及事后處理軟件構成。此系統在使用過程中，操作較為簡單方便，且性價比較高。POS 系統可以根據慣導系統（INS）和差分GPS 獲得飛機飛行的空間位置及姿態信息，應用此技術進行內業處理時，不僅可以進行行頻的自動排序，還可以為后續航空數據處理提供所需的外方位元素。

2.2.2 強化影像匹配技術

提高航空攝影測量影像匹配強度需要綜合采用合適的處理方法及措施，航空攝影測量影像匹配技術通常基于特征匹配的方法，首先從原始圖像中提取特征，然后建立2 幅圖像之間特征的匹配對應關系。常用的特征匹配基元包括點、線、區域等顯著特征。圖像特征相比像素點數量少很多，特征間的匹配度量隨位置變化尖銳，容易找出準確的匹配位置，特征提取能大大減少噪聲影響，對灰度變化、形變和遮擋有較強的適應性。基于圖像特征的匹配方法主要包括圖像點匹配技術、邊緣線匹配技術、閉合輪廓匹配技術、使用高級特征的匹配技術。圖像匹配算法的性能評價指標主要有：匹配概率、匹配精度、匹配速度，攝影測量過程中，應根據實際情況選擇合適的處理技術進行圖像匹配，要求匹配概率盡可能高、匹配誤差小、算法計算快、能滿足應用環境對實時性的要求。

2.3 提高測量精度

2.3.1 選擇像控點

航攝像片由于像點坐標誤差的影響，使像片邊緣產生的像點位移和影像變形較中心部分大。為了提高外業判讀刺點和內業點位量測精度，像片所選像控點的位置距像片邊緣要大于1cm 或1.5cm。選擇像控點除了要考慮各種成圖方法對像控點的布點要求，還要保證像控點必須是影像位置可以明確辨認的目標點，并且要能滿足地形測量通視良好，交會圖形理想等要求。無論是平面點、高程點或平高點，均要選擇在明顯目標點上，一般地區較理想的明顯目標是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點和地物拐角上。

2.3.2 控制圖像的傾斜角度

在航空攝影野外數據采集過程中，相機與待測物存在一定的角度關系，不可能完全保持180°平行關系，通常情況下，傾斜角應小于3°。通過照片邊沿在水準器影像里氣泡中出現的位置判斷傾斜角的大小。對于不存在水準器記錄的照片，如果發現不合理地方，可以與舊圖進行對比，選擇一些有標志的地點，采用攝影測量辦法進行個別抽查，以提高采樣精度，將數據誤差盡可能降低。

2.3.3 設定安全合理的飛行高度

進行數據采集前，應根據大比例尺低空航攝及安全飛行要求計算無人機飛行高度，具體需要根據測區環境（山區、城市）計算確定。

2.3.4 嚴格控制照片的重疊度

為了獲取準確的待測地物的地理位置信息，航片必須對測量區域所有位置進行完整覆蓋。不同區域照片需要有很好的重疊性，以防止個別地理位置圖像信息遺漏。理論上常用相鄰航線重疊區域與相片邊長進行比較，航向重疊度一般為53%～75%，旁向重疊度為15%～50%，通常取30%。如果航空攝影測量數據顯示重疊度超標，需要對測量數據進行相關補救工作，若出現區域遺漏時，需要重新補拍，以便獲取準確的測量結果。

3 工程實踐

某項目的航空攝影測量過程中，選用了固定翼三軸矢量無人機搭載寬角相機進行外業數據采集，空中三角測量處理采用Inpho 軟件，使用區域網平差進行解算。在Inpho 軟件中設置相機參數、框幅影像、POS 數據以及航帶等參數數據，對區域網進行自由網平差，導入像控點數據進行空三加密平差計算，形成空三加密數據。像控點內業刺點時，像控點盡可能多的量測在影像上，加密選取的航向連接點、旁向公共點與測圖定向應為同一點位，保持測圖定向點至少5°重疊以上。對于像控標記在影像上變形較大的像片不進行刺點，以避免由于變形誤差降低區域網平差的精度。地形圖數據采集采用全數字攝影測量工作站MapMatrix 軟件，由空三加密數據建立立體模型，并進行矢量數據采集。地形圖數據編輯和外業調繪數據修改采用南方CASS 軟件完成。

背向主點的地物在本條航線上無法采集到時，在相鄰航線上進行補測，避免地物的丟漏。檢查遵循先查定向再進行采集的原則，在數學精度、地形地貌表示、地物丟漏、高程點測繪等方面是否符合設計要求，進行重點檢查。

4 結語

總而言之，在利用低空航測的方式測量大比例尺地形圖時，需要注意根據實際測量情況的不同，選擇不同的測量設備以及測量技術。使用低空航攝的技術時，需要選取寬角相機，提前制定好相關的措施，從而提高空中三角測量技術的精準度。另外，還需要對航測產品的生產技術進行精細化處理，以保障最終測量結果的準確性，促進我國低空航測技術的不斷完善與發展。