無人機航攝在城市軌道交通規劃中的應用分析

摘 要：現代測繪領域中，無人機航攝系統的運用十分廣泛，具有無人操控、操作簡單、輕小便捷等諸多優勢。本文主要從無人機航攝在城市軌道交通規劃領域中的運用為切入點展開分析，首先論述了無人機航攝技術優勢，其后詳細探討了無人機航攝系統構成及其在城市軌道交通規劃中的應用流程與要點，最后圍繞實際項目展開論述，以期可供參考。

關鍵詞：無人機;航攝技術;應用;城市軌道交通;規劃

1 引言

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）是一種由動力驅動，無需專業飛行員進行機上操控的可自主完成飛行獲得的航天飛行器。近年來，我國城市軌道交通發展迅速，無人機航攝技術在城市軌道交通規劃中得到了廣泛應用，其可提供大比例尺基礎地理空間數據，支持軌道交通規劃工作高效、精確落實。

2 無人機航攝技術概述

21世紀以來，隨著各種通信導航技術的發展，無人機在攝影測量領域的運用越加廣泛，利用無人機搭載傳感器設備，通過外業航飛獲取成果數據，經由數據處理后獲得DEM、DOM、DLG以及數字三維模型等產品。

無人機航攝系統與傳統航空攝影系統相比，主要具有以下幾個方面的優勢：

2.1 空域的申請相對簡單;

2.2 對飛行場地的限制較小，不需要機場;

2.3 對云層遮擋限制條件較小;

2.4 飛行高度相對較低，因此就能夠在飛行的過程當中獲取更高的分辨率影像;

2.5 操作簡單，作業周期段，成本低。

結合相關實踐經驗分析顯示，無人機航攝技術可彌補常規航測手段的不足，在市政管理、工程建設、地形圖制作與修改等方面具有顯著優勢。

3 無人機航攝在城市軌道交通規劃中的應用

下文主要就無人機航攝系統構成與應用流程、要點等進行分析，具體如下。

3.1 無人機航攝技術流程

無人機航攝在城市軌道交通規劃中的應用流程如下圖1所示。

3.2 無人機航測技術運用關鍵步驟

下文主要圍繞無人機航測技術流程中的幾大關鍵步驟展開分析。

3.2.1 場地踏勘

無人機航測前必須進行場地踏勘，主要目的是查看攝區是否滿足無人機航攝條件。結合現場踏勘結果，設計飛行線路、最佳飛行時間段等。

3.2.2 氣象分析

天氣對航攝的影響有很多因素，主要包括飛行影響和影像質量影響兩個方面。

3.2.2.1 飛行影響：主要體現在無人機飛行中容易受氣流的影響，容易偏離預設的航線或航高，影響后期數據處理，甚至風力過大有可能失去對無人機的控制;

3.2.2.2 影像質量影響：主要體現在獲取影像的清晰度、明暗度及色彩的豐富程度。

結合實踐分析，航攝要求天氣晴朗、無云、能見度高、風力≤3級，太陽高度角視地形而言，平地>20°、丘陵地>25°，城區高層、超高建筑密集區域應在中午前后1h航攝。

3.2.3 航線設計

無人機航攝成圖精度的主要影響因素包括：影像質量、影像分辨率、像控點數量、刺點精度、空三加密精度等，因此，對于不規則形狀攝區，無人機航攝飛行線路可根據攝區的特點進行合理布設，不必完全根據規范要求按東西向直線飛行，有利于減少飛行和后期數據處理工作量。如一攝區面積3km²，依據攝區特征布設航線如圖2（a）航線16條，航片256張;采用南北方向布設航線如圖2（b）航線20條，航片274張;采用東西方向布設航線如圖2（c）航線22條，航片295張。比較圖2中（a）、（b）、（c）航線和航片數量可看出，根據攝區特征進行航線布設為最優。

3.2.4 航攝飛行

無人機航攝飛行，必須做好攝區風速、能見度及衛星信號接收強度的檢測工作，選擇一天中最佳的時間段進行飛行，避開航攝范圍內高壓電力線、大型發射塔等特殊障礙物，確保航攝按照設計的線路、航高飛行，獲取優質原始航攝影像。

3.2.5 像控點布設

目前，網絡CORS應用廣泛，采用基于網絡CORS的RTK測量像控點的平面和高程精度達5cm，測量效率高。在實際生產中，可同時進行像控點平面和高程的坐標測量，也使航空攝影測量中像控點的布設與測量得到優化，無需完全按照規范進行平高像控點的布設。目前，航攝像控點布設主要有以下3種方式：

3.2.5.1 測區四周各布設1個像控點，測區中間布設1個像控點。

3.2.5.2 根據測區形狀特點，測區周邊主要拐點布設像控點，測區中間適當、均勻布設控制點。

3.2.5.3 按照航線布設像控點，每隔8～10個基線布設1個像控點，同時每隔1個航線布設像控點。

經分析測試，第一種像控布設方案僅適合于無人機航攝中配備的高精度POS系統，滿足1∶2000、1∶5000正射影像圖制作精度要求;第二種像控布設方案適合于無人機航攝中配備的低精度POS系統，達到1∶1000、1∶2000生產正射影像圖制作精度要求;第三種像控布設方案滿足無人機航攝中有無POS系統，均能滿足1∶500、1∶1000、1∶2000生產4D產品精度要求。

3.2.6 像控點量測

像控點量測的關鍵是像控點點位選取與測量精度，目前基于空間導航定位精度的提高，基于CORS的RTK測量像控點精度可充分滿足無人機航攝空三加密精度要求嗎，由此在航測項目實施中像控點點位的選取十分關鍵。

居民區可選擇在無遮擋的水泥建筑角、平頂房角、斑馬線等明顯地物角點;農田可選擇田地中的人工水庫、水池的內外角及道橋墩等明顯目標處。

3.2.7 空三加密解算

無人機航攝空三加密過程和原理與傳統航攝空三加密基本相同，但因其采用非量測相機、易受氣流影響、POS精度較低等特點，空三加密解算要點如下：

3.2.7.1 合理劃分加密區

無人機航攝一般航高低、相幅小、像片的姿態參數（如傾斜角、旋偏角、航線彎曲度等）起伏較大，為提高加密效率和加密精度，無人機航攝空三加密不建議進行加密區劃分，將測區作為一個整體進行空三加密，避免因加密分區接邊引起的誤差。對于因攝區范圍較大或影像數據量較大，作為一個整體進行空三加密，數據處理性能很低、平差解算太慢時，再考慮分區加密。

加密分區時，為減少后續加密分區接邊誤差，應沿著航線方向進行分區，重疊一條航線，同一航線的影像匹配、像點關聯性高，能夠減少接邊誤差。若沿著其他方式進行加密區劃分，加密分區接邊的像點關聯性較差，多條航線間的影像配準較困難，影響加密分區的接邊精度。

3.2.7.2 像片標準點位連接點

無人機航攝空三加密，主要利用加密軟件自動生成像點的連接點，正常情況下連接點分布均勻、數量足夠多，完全滿足平差的需要。但是，實際測繪作業中，無人機航攝一般采用非量測相機、易受氣流影響，影像匹配性較差，在計算機自動匹配困難時，個別像片會缺少必要的連接點，就需要人工添加連接點，保證標準點位必須有一定量的連接點，才能使連接點在平差中起到傳遞空間位置關系作用，使平差后影像具有滿足精度要求的空間位置，不至于平差后該區域失控，無法滿足后續生產需要。

3.2.7.3 空三加密質量檢查

無人機航攝空三加密的質量檢查，包括事前檢查、過程檢查及結果檢查，具體如下：

3.2.7.3.1 事前檢查：檢查影像質量是否滿足空三加密要求，如影像的清晰度、重疊度及是否存在扭曲、變形，影像的旋偏角、傾斜角是否超限等。

3.2.7.3.2 過程檢查：檢查涉及檢查整個區域連接點是否在每張影像上均勻分布、標準點位是否有連接點;檢查連接點在每張像片是否準確刺點，是否存在上浮或下沉情況;檢查控制點是否按照外業測量準確刺在影像上等。

3.2.7.3.3 結果檢查：檢查平差結果是否超限，并將空三加密平差后像控點坐標值與原始外業測量值進行比較，以及平差的檢查點與外業測量的檢查點比較，查看誤差大小。此外，還需將平差結果導入立體環境進行立體量測，與現有高精度成果或外業實際量測比較，檢查加密成果質量。

4 實例探析

4.1 項目概況

本文主要以某城際軌道交通項目為例展開分析，項目前期對機場至學校段支線進行測繪，滿足線路選線、定線的工作需求。本次測繪采用無人機低空航攝技術，完采集路線長、寬分別為15km、300m，主要是城鎮、道路以及農田，地勢相對平坦。

4.2 微型無人機選擇

本次測繪采用eBee微型無人機，具體參數如下表1所示。

4.3 無人機航攝流程

本項目無人機航攝流程如下圖3所示。

4.3.1 作業準備

本項目無人機航測前，準備待測區衛星影像資料、檢查飛行平臺、檢查地面控制系統、試飛，現場踏勘確認現場無過高建筑物，并尋找合適的起飛、降落點。

4.3.1.1 控制點布測：本項目無人機質量較小，在飛行過程中受大風影響嚴重，為保證測區成圖精度，必須均勻布設地面控制點，本次沿帶狀區域按分段航帶均勻布設少量的控制?點，采用GZCORS獲取城市坐標系坐標，平面、高程精度±2cm。

4.3.1.2 航線設計：本項目采用地面控制軟件eMotion2進行航線設計，由于無人機鋰電池續航時間短，決定采用分段設計、分段航攝方法。

4.3.2 航攝作業

在完成航線規劃后，通過電臺將飛行計劃傳輸至無人機系統，放飛無人機，飛行過程如下：

4.3.2.1 起飛：由作業人員握住左右兩邊的機翼，機頭朝上傾斜10°，迅速大力向前甩動3次，機身尾部螺旋槳自動啟動，3s后向上推出無人機;

4.3.2.2 爬升：無人機飛出后，在起飛點上方盤旋，一直爬升至指定航高后飛向航線;

4.3.2.3 航線飛行：無人機沿既定航線飛翔，并自動定點拍攝照片;

4.3.2.4 降落：無人機完成飛行后，自動飛至降落點上空盤旋下降，降至75m后按計劃降落;

4.3.2.5 數據檢查：完成航攝后，現場檢查數據，核查拍攝照片數量和飛行軌跡參數是否一致，一旦發現漏拍、照片質量模糊，及時補飛。

4.3.3 數據處理

本項目無人機航測數據處理過程如下：

4.3.3.1 數據預處理：采用eMotion2導入飛行記錄文件、POS 數據，從無人機相機SD卡內導出航攝像片數據，利用e Motion2軟件將POS數據、像片數據融合，生成帶位置、姿態信息的影像與后續處理工程文件。

4.3.3.2 自動空三加密：采用Post flight_ Terra_ 3D數據處理軟件輔助空中三角測量，利用POS系統獲得無人機移動空間位置、三軸姿態信息，解算航攝影像每張像片?6 個外方位元素，完成自動空三加密。

4.3.3.3 自動生成DEM、DOM：基于DEM數據對影像進行數字微分糾正、影像重采樣，生成單片數字正射影像?DOM，經色彩調整、影像鑲嵌獲得DOM 成果。

4.3.3.4 制作大比例尺地形圖：采用EPS測圖平臺進行坐標轉換、矢量校正、屏幕測圖，做到先整體、后局部，保證測圖精度。

4.4 項目成果精度分析

為保證精度，采用GZCORS_RTK 快速獲取外業檢查點三維坐標數據，測區施測平面坐標/高程檢測點共計32 個，經對比計算分析顯示本次航攝1∶2000 地形圖精度滿足規精度要求。

5 結語

綜上所述，基于無人導航定位、無人操控、數據傳輸等先進技術的發展，無人機生產門檻逐漸降低，無人機航測技術逐漸推廣開來。在城市軌道交通規劃中，必須針對無人機航測特點，科學落實測前準備、外業飛行與內業數據處理工作，保證測繪產品的成果質量，為后續項目實施提供可靠支撐。

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作者簡介：劉紅滬（1968-），男，湖南邵陽人，高級工程師，本科，研究方向：工程測繪-無人機在測繪工程中的應用。