航空攝影測量與傳統測量在大比例尺地形測量中的精度研究

林善志

(湖南省核工業地質調查院，湖南 長沙 410000)

0 前言

隨著經濟社會的高速發展，特別是大中城市大比例尺地形圖數據庫建設的完成，大比例尺地形圖數據的現勢性問題已成為用戶關注的熱點問題。大比例尺地形圖的傳統測繪主要采用全站儀、GPS-RTK等測量設備，測量技術人員需要進行實地測量，野外工作周期長，效率低，且受到天氣和實際地理環境的限制，無法快速高效滿足用戶對大比例尺地形圖數據提出的“持續更新”的要求。目前，大比例尺地形圖測繪應用了先進的數字航空攝影測量技術，在該領域中無人機航空攝影測量系統有了較大的發展。無人機航測作為對信息數據采集的一種方式，與傳統的數據采集及更新技術手段相比，其擁有對天氣的適應性強、拍攝成圖精度高、同時間內無人機拍攝覆蓋面大、拍攝成本低等優點，很好地解決了傳統大比例尺地形圖測繪面臨的困難。航測也逐漸成為了大比例尺地形圖測繪的主要技術手段。

1 無人機作業流程

1.1 無人機航攝系統介紹

大疆精靈Phantom 4 RTK是一款面向低空攝影測量的小型多旋翼高精度航測無人機，提供厘米級導航定位和高性能成像系統、相機微秒級同步、app航線規劃等功能，便攜易用，全面提升航測效率。其基本構成包括：無人機飛行云臺、飛行導航和控制系統、GS Pro地面監控系統以及內業數據處理系統。

1.2 影像處理

將獲取的航片影像數據及POS數據在RTK和PPK模式下，結合PIX4D軟件處理，對POS進行投影轉換，轉換為目標坐標系。匹配已知的基準點坐標和準確的相機參數自動完成影像定向、空三加密，實現免像控影像自動鑲嵌和拼接處理，從而獲取高精度的DEM和高質量的DOM 數據。

1.3 地形圖測繪

利用PIX4D軟件處理，生成tif格式的正射影像數據和osgb格式的數字高程模型數據。在EPSD2D三維測圖軟件上加載DSM傾斜模型，進行三維測圖采集工作，主要有房屋及構筑物、鄉村道路、河流及橋梁、桿線、溝渠、地類范圍等可以辨認的各類地物；進行高程點的提取。導出Cass格式數據文件，利用CAD成圖軟件進行坐標系統轉換、數據編輯、高程點過濾、繪制等高線、修飾圖幅等工作。

2 成圖精度影響因素分析

2.1 航測法成圖

(1)POS數據精度。飛機姿態控制、動態差分定位精度以及后期的航測數據處理精度對成圖起著相當關鍵的作用。若遇到地形起伏變化較大、植被復雜地區需要增加地面控制點的數量，以提高測區成圖精度。

(2)影像質量。影響影像質量的有天氣因素和相機本身。相機的像素大小與所選取的相機有關，而曝光時間的選取和天氣有著密切的關系，光線條件較差時，增加曝光時間會達到較好的效果。

(3)重疊率。重疊率是提高相片連接點的重要保障，重疊率的調整要根據無人機飛行時間和飛行區域而定。重疊率低，可能會導致每個地物點僅會在少量航片中顯現，提取的連接點也會變少，將導致飛機的照片連接粗糙，直接影響后期數據處理的精度。

(4)飛行高度。飛行高度主要對飛行航片中的GSD有影響，飛行高度的變化必然會影響航片相幅的大小。具體作業過程中應根據實際地貌地形，綜合考慮相片分辨率、測量精度及比例尺選擇合適合理的飛行高度。

2.2 傳統測量方法成圖

傳統測量方法主要包括全站儀和RTK等測量設備野外實測，內業處理成圖。RTK精度與接收機、信號傳播路徑，衛星有關的誤差、基準站、數據鏈、流動站、數據處理等因素影響有關，外業實測對作業環境要求高，需視野開闊；全站儀精度受儀器參數設置、觀測誤差、觀察環境等因素影響，野外實測要求通視條件好，且有累積誤差。

3 試驗

為與傳統測量方法成圖精度進行對比分析，決定對試驗區進行1∶500地形圖采用低空無人機免像控測量技術與外業檢核相結合的方法進行地形圖測繪。測區位于長沙市寧鄉某區域，測區范圍約為1.4 km2。此處為鄉村的小型住宅區，地形平緩，區域主要以房子、農田菜地為主，道路貫穿整個測區。具體作業流程如圖1所示。

圖1 試驗流程圖

3.1 航空攝影情況

根據試驗區形狀大小以及無人機有效航攝面積，只設1個航攝分區。

(1)航前檢查。為保證任務的順利進行，起飛前結合航飛自控系統重新對無人機進行IMU校準，確保飛機的GPS、失控行為設置、羅盤、返航高度、避障雷達、預警電池電量及安全返航電量閾值、空速管及其俯仰翻滾等狀態良好，避免在航拍中危險情況的發生。還需檢查測區范圍內是否存在高大建筑，預測高大建筑物高度，以便設定合適航高。

(2)航線設計。在GS PRO中，設置了飛行航線規劃和飛行參數。其中，航向重疊率為80%，旁向重疊率為80%，飛行高度120 m，航攝影像地面分辨率為35 mm。

(3)航飛監控。劃定區域，設置了飛行高度、速度、重復率、調整邊距等相關的參數，實時掌握飛機的姿態、位置、方位、即時風速風向等重要狀態，便于操作人員實時了解任務的執行情況，確保航飛任務的安全。飛機自動起飛，航測結束或電池電量過低后會自動返航。

3.2 影像處理及DLG制作

航拍任務完成后，利用轉換過的靜態數據以及航測影像在UBase軟件中進行PPK解算并導出POS數據；結合PIX4D軟件處理獲取高精度的DEM、DOM數據，DOM成果如圖2所示。通過DOM數據以及野外調繪，完成DLG數據成果，如圖3所示。

3.3 地形圖精度分析

依據《數字測繪成果質量檢查與驗收》(GB/T 18316-2008)規范規定，采用全數檢查的方式，利用傳統測量方法對大疆精靈Phantom 4 RTK免像控航測攝影實景地形圖檢驗。

利用全站儀和基于CORS系統的RTK測量技術聯合測量的地形圖，實地精確測量選取測區860個地形地物特征點。其中，平面地物特征點主要選取比較明顯、便于觀測的點，包括房子墻體拐角、道路交叉點、溝渠邊界、獨立地物中心點等，高程檢查點選擇水泥道路開闊中心點等。運用DLG立體采集，參照外業實測的特征點位的位置，內業采集模型每個特征點的平面坐標、高程值，比較每一組對應點的數據，使用均方根誤差(RMSE)對研究輸出的平面度和垂直精度進行評估平差，統計出兩種測量方法對地形圖建筑物、道路邊界的特征點的平面精度中誤差為0.055 m，高程精度中誤差為0.045 m。

圖2 試驗區DOM

圖3 試驗區DLG

根據《數字測繪產品檢查驗收規定和質量評定》(GB/T 18316—2008)和本次測量的結果比較可以得出，傳統測量方法測圖特征點精度高，但全站儀測量房屋等特征點需要轉站，存在誤差累積，效率低，整體測圖的精度不高；利用無人機航測所得到的測量成果整體精度高。因此，應用大疆精靈Phantom 4 RTK攝影系統解決方案制作的地形圖，平面精度整體上可以滿足1∶500線劃圖的生產，部分建筑物遮擋區域需要外業調繪，高程由于基準的不同存在一個常數差。

4 結語

無人機憑借快速高效、機動靈活等優勢，充分發揮了完全不需要人工操作的特點(規劃好區域后飛機會自動起飛，自動測繪，自動返航降落)，提升了大比例尺地形圖成圖效率與精度。通過實地應用，與傳統測量方法獲取成果進行精度分析，盡管航空攝影測量個別特征點精度不高，但整體精度符合測圖要求，縮短了作業周期，降低了作業難度和成本。預見其在今后的生產建設和應急測繪領域，將會帶來顛覆性的革新。