無人機低空攝影測量技術在大比例尺地形圖測量中的應用

王水清

摘 要：當今，無人機低空攝影測量技術日趨成熟，在地形圖測量中的應用非常廣泛。由此，本文著重介紹無人機低空攝影測量技術在1∶1 000地形圖成圖的流程、要點及最終成果精度評價，以供同行業人士參考。

關鍵詞：無人機;低空攝影測量;大比例尺;地形圖

中圖分類號：P231.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0017-06

Abstract： Nowadays UAV low-altitude photogrammetry technology is increasingly mature， and it is widely used in the field of topographic map measurement. This paper mainly introduced the whole process， key points and accuracy evaluation of the final result of uav low-altitude photogrammetry technology in 1∶1 000 topographic map mapping， so as to provide reference for people in the same industry.

Keywords： UAV;low altitude photogrammetry;large scale;topographic map

無人機低空攝影測量克服了傳統航空攝影測量審批手續多、造價高、技術難點多及實施難度大等缺點，具有無需審批或審批手續簡單、成本低、數據處理手段技術先進及工作效率高等優點。其是目前野外地理信息數據采集最先進的技術手段之一，是建立各種對象的基礎GIS地理信息系統最快捷、高有效的工具，對加快實現智能城市乃至數字中國有著重要的意義。

本文闡述了采用高分辨率遙感影像數據一體化測圖系統PixelGrid實施某測區1∶1 000地形圖無人機低空攝影測量外業、內業數據處理及成圖的流程和要點。

1 無人機低空攝影測量成圖要點及流程

1.1 無人機低空攝影測量成圖要點

無人機低空攝影測量成圖要點共分為三大部分：第一是測圖前的準備工作;第二是外業數據采集工作;第三是內業數據處理并形成用戶所需要的測繪產品。

1.2 操作流程

無人機低空攝影測量成圖操作流程如圖1所示。

2 航攝平臺硬件選型及功能

2.1 硬件設備選型

硬件設備選型如表1所示。

2.2 硬件功能

本次采用的是南方天行HQ1300無人機平臺，其具有連續飛行時間長、飛行高度在300m以內，且具有適用于陰雨天、自動避開云層、起飛方便等功能;攝影相機具有重量輕、精度高及數據采集速度快等優勢;影像處理設備配置高，數據處理速度快。

3 無人機低空航攝測量軟件構成及功能

3.1 飛行測量及控制地面工作站

飛行測量及控制地面工作站包括無人機飛行控制及攝影影像采集兩大部分。其主要具有以下幾方面功能。①具有進行測區查詢、確定最優航線、飛行參數預置、質量檢查、數據預處理等功能。②地面站系統內存至少配備4G，并且安裝有超過320G的存儲硬盤，可存檔大量的攝影和攝像成果。由于配有高性能電池，可連續供電超過4h，能滿足外場工作的需要。③能根據全部測區范圍、設備硬件功能、項目成品技術要求，設計飛行方向、飛行架次等[1]。

3.2 無人機飛行控制導航系統

本次采用的天行HQ1300型無人機飛控導航系統包含機載飛行控制單元、地面工作站和通信單元等。其主要具有以下幾方面功能。①可以適用于自動控制各種無人機穩定飛行，實現無人干預自動導航飛行，具有多任務設備接口，飛行過程中，可根據實際情況在地面站上人工隨時更改飛行參數。②此系統具有自動化程度及控制精度高、設備安全性能完善、人機交互界面友好等優點。

4 無人機低空航攝測量要求

4.1 主要技術要求

地面分辨率：優于10cm，滿足1∶1 000成圖要求;基本航線方向：根據測區范圍及當地氣候條件確定航線方向;重疊度要求：山地航向重疊一般60%±2%，最小值不能低于55%，旁向重疊一般30%±2%，最小值不能低于20%;航攝范圍覆蓋：需要覆蓋整個范圍;航線布設要求：航線平行、間隔相等，并滿足航拍重疊要求;航高確定：本項目采用索尼A6000進行航攝，相機焦距為20mm（根據測區高差不同采取不同焦距的相機）[2]。數字航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度。航高確定如圖2所示。

其中：

（2）

式中：[h]為飛行高度;[f]為鏡頭焦距;[a]為像元尺寸;[GSD]為地面分辨率。

本次航攝地面分辨率為優于10cm。本次航攝分區，總攝區范圍為多個航攝區域。

此外，對航攝相機的質量要求如下。①曝光時間要短，減少像點位移誤差。②通過縮小光圈提高基礎影像數據的質量。③低感光度。若沒有像點位移補償功能，則快門速度應滿足式（3）。④基礎影像應避免云影、光斑或人為的斑點、污漬非正常像素，影像有效范圍內禁止明顯的“顆粒”現象。

[最大曝光時間×飛機地速<1.6×GSD] ? ? （3）

對飛行時間的要求如下：①在規定的航攝期限內，選擇大氣透明度好、對成圖影響較小的季節和時間段進行拍攝，盡量避免植被、積雪、云霧、揚塵（沙）等因素的影響;②要提前收集GPS衛星預報資料，盡量選擇PDOP值小于3的時間段進行攝影。

對飛行的要求如下：①進入攝區前，要組織飛行和攝影人員進行航線設計的技術講評;②飛行前要檢查設備能否正常工作，核查參數設置是否正確;③航攝時，既要保證具有充足光照，又要避免過大陰影;④為確保設備安全，飛機發動機啟動前，嚴禁打開航攝系統的電源開關;⑤在確保航攝系統初始化、各項設置和狀態正常后，無人機方能滑行起飛。

4.2 野外航攝工作組織要求

野外航攝工作組織流程如表2所示。

4.3 飛行控制要求

4.3.1 姿態控制。按照設計的航線，選派技術好、經驗豐富的操控手和地面設計人員，保持好飛行姿態，確保各項技術指標符合相關要求[3]。

4.3.2 覆蓋控制。每次飛行結束后，要對旁向重疊、范圍等元素進行逐一檢查，對于不符合要求的產品，必須及時進行補攝或重攝。

4.4 POS（GPS）控制要求

POS（GPS）控制要求如下：①調試設備正常工作;②

保證系統存儲設備容量滿足項目航攝數據的存儲要求;③設置航攝系統中的各項參數;④飛機滑行期間應排除障礙物造成GPS衛星信號失鎖的現象;⑤嚴格按照技術要求控制飛機上升、下降速率，以免造成GPS衛星信號失鎖;⑥航攝飛行過程中，應時刻監控系統工作狀態，重點避免GPS信號失鎖現象及其他突發事件，并做好應急處理。

4.5 補攝與重攝要求

補攝與重攝要求如下：①航攝過程中出現漏攝或影像不滿足質量要求的情況必須及時補攝;②數字影像出現大面積反光或局部缺陷（如云、云影等）時，應予補攝;③漏洞補攝必須按原設計航跡進行，對于補攝航線的兩端一般應超出漏洞區域外兩條基線[4]。

5 外業像控點測量

5.1 像控測量流程

按照《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形圖航空攝影測量外業規范》的要求，進行像控點的布設，并擬定如圖3所示的像控測量技術工作流程圖。

5.2 像控點布設、選刺要求

①根據測區地形特征和航攝資料情況以及以往類似項目經驗，本區屬于山地，困難地區無法實測外業像控點，按照2km2內一到兩個平高點布設，不規則區域網一般在凹拐角處加布平高點。

②像片控制點布設要求：點位標志醒目、易于判刺;控制點距像片上各類標志及像片邊緣距離大于等于地形圖比例尺*0.1mm;控制點應在旁向重疊中線附近，保證接圖精度。特殊地區布點：針對沒有任何地物特征信息的區域（如荒漠、沙地等區域），在飛行前應布設標志點。同時，對標志點進行實地量測，以保證量測的控制點滿足測區進行全數字空中三角測量的要求[5]。

③采用TRK直接對像控點進行控制測量。本次RTK控制測量采用單基站RTK，測量方法如下。

選埋點要求為：點位應設在易于安放儀器、視野開闊的地點;為了避免GPS信號被遮擋或被障礙物吸收，GPS視場周圍15°以上不應有遮擋物;點位應盡量避免各種電磁場及高壓線對GPS信號的干擾。

同時，利用RTK測量時，其衛星狀態應符合《全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范》（CH/T2009-2010）中5.1.6表1要求。

④像控測量質量控制要點。第一，像控點選刺與整飾的質量檢查。檢查像控點在相片上的位置條件、刺點轉刺及整飾是否符合技術要求;檢查刺點略圖與影像地形是否相符，說明注記是否完整準確清楚。

第二，外業資料檢查。檢查野外觀測手簿是否齊全，觀測數據內容是否完整。

第三，網絡RTK參數及后續處理數據檢查。檢查觀測參數及觀測數據是否剔除了粗差及不可靠數據，檢查觀測參數是否正確;檢查觀測數據的正確性，是否剔除了粗差及不可靠數據， 是否檢測已知點， 較差是否符合限差要求。

第四，內業成果檢查。檢查內業成果是否注明平面坐標系統、中央子午線、高程系統、點號、刺點片號、坐標及高程、作業方法、精度等信息，整個測區像控點布點結合圖是否齊全。

6 DOM制作

根據無人機航空遙感影像及野外實測像控點資料進行全數字空中三角測量加密計算，通過PixelGrid等軟件利用空三加密成果實施測區1∶1 000比例尺DOM數據的過程。

6.1 DOM制作流程

DOM數據制作流程圖如圖4所示。

6.2 具體作業方法

6.2.1 空三加密作業流程。空三加密作業流程如圖5所示。

6.2.2 自動匹配DEM。主要是用PixelGrid生成核線影像、匹配種子點線立體量測、自動影像匹配生成高精度的DSM[6]。內插篩除DSM高于地面的對象（如房屋、樹林、高架橋等），得到用于正射糾正的DEM數據。

6.2.3 正射影像糾正。采用單片微分糾正的算法進行糾正，在航攝區較平坦的情況下，采用隔片糾正的方法。

6.2.4 影像調色。對原始影像進行勻光勻色處理。勻色流程如圖6所示。

6.2.5 DOM鑲嵌成圖

6.2.5.1 鑲嵌原則。①鑲嵌前保證影像間重疊限差必須否符合相關技術要求;②鑲嵌時應盡可能保留分辨率高、時相新、云霧量少、質量好的影像;③選取鑲嵌線對DOM進行鑲嵌時，平原的鑲嵌線應選擇在線狀地物或地類明顯的邊界處，山區應選擇在山脊線處;④鑲嵌疊加相鄰糾正單元若同名地物出現“抖動”或“錯位”現象，要對單元進行糾正[7]。

6.2.5.2 鑲嵌方法。在接邊滿足重疊限差及重疊區色彩一致的基礎上，通過在接邊處選取同名點，采用相鄰影像在重疊過渡區內各糾正一半的原則進行糾正。影像鑲嵌如圖7所示。

6.2.6 DOM標準分幅裁切。DOM制作完成后，數字正射影像數據按1∶2 000國家基本比例尺地形圖標準圖幅滿幅裁切。DOM標準裁切流程如圖8所示。

7 成果資料整理匯交

最后得到的成果資料包括數據成果匯交表（略）和DOM成果資料。其中，DOM成果資料包括∶1 000 DOM分幅數據成果（tif+tfw）（電子1份）;1∶1 000 DOM圖幅接合圖（電子1份）;1∶1 000 DLG線畫圖（電子1份）。

8 結語

本文詳細闡述了無人機低空攝影測量在1∶1000大比例尺地形圖成圖全過程。因大比例尺地形圖要求精度高，所以對無人機低空攝影測量軟、硬件及每個步驟都有比較高的要求。通過實踐檢驗，本次無人機低空攝影測量在1∶1000大比例尺測圖技術方案合理、可靠，本方案充分體現出無人機低空攝影測量成本低、效率高、精度可靠、實施人員勞動強度低的優勢，為以后無人機低空攝影測量在更高精度的測繪領域提供了理論基礎。隨著無人機低空攝影測量技術的日益成熟，其應用領域會越來越廣泛，為智能城市乃至智能中國的發展發揮其極其重要的作用。

參考文獻：

[1]劉奇志.低空攝影測量技術的發展與應用[C]//山東省數字國土學術交流會.2007.

[2]林翔.低空數碼航空攝影測量在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].科技創新導報，2011（17）：142.

[3]楊永明.無人機遙感系統數據獲取與處理關鍵技術研究[D].昆明：昆明理工大學，2016.

[4]張可可.無人機影像空中三角測量實驗研究[J].測繪，2013（1）：10-12.

[5]Zhang Li. Automatic Digital Surface Model （DSM） generation from Linear Array Images [D].Switzerland：Swiss Federal Institute of Technology Zurich.PhD thesis，2005.

[6]COLOMINA I， MOLINA P.unmanned Aerial Systems for Photogrammetry and Remote Sensing：A Review [J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2014（92）：79-97.

[7]康玉霄，桑文剛，李娜，等.無人機低空攝影測量數據處理及應用[J].測繪通報，2017（s1）：68-71.