無(wú)人機(jī)航空數(shù)字測(cè)量技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用

李賀華 申依薇

【摘要】科學(xué)技術(shù)的革新使測(cè)繪行業(yè)發(fā)生了天翻覆地的變化，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的深入應(yīng)用，航空攝影測(cè)量迎來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步確保無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的精度與效益，提升地形測(cè)繪圖的應(yīng)用價(jià)值，該文首先介紹了無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，之后分析了其誤差的來(lái)源并進(jìn)行糾正，最后闡釋了該技術(shù)在地形測(cè)繪中的具體應(yīng)用，以供相關(guān)人士借鑒。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);航空攝影測(cè)量;地形測(cè)繪

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.02.127

近些年來(lái)，在地形測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)技術(shù)逐漸替代了載人飛機(jī)攝影，形成由無(wú)人機(jī)+高清攝像機(jī)構(gòu)成的測(cè)量模式。相關(guān)理論與實(shí)踐表明，該模式既可降低測(cè)繪的成本與難度，又可提升測(cè)繪的精度，具有良好的應(yīng)用效果與前景。

1、無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與誤差來(lái)源

1.1應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，即無(wú)人機(jī)與航空攝影測(cè)量有效結(jié)合的技術(shù)，為航空遙感開(kāi)創(chuàng)出一個(gè)新的發(fā)展方向—無(wú)人機(jī)數(shù)字低空遙感，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)家工程建設(shè)、數(shù)字化城市建設(shè)、國(guó)土監(jiān)察、災(zāi)害應(yīng)急處理等，具有以下4種優(yōu)勢(shì)。

1.1.1具有較強(qiáng)的數(shù)字響應(yīng)能力

無(wú)人機(jī)一般是低空飛行，受不良天氣的影響極小，所以可對(duì)數(shù)據(jù)保持良好的響應(yīng)力，同時(shí)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量模式中的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)傳輸?shù)模稍诘匦螠y(cè)繪中，獲取大面積的測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.1.2提升地形測(cè)繪整體的精確度

無(wú)人機(jī)航攝過(guò)程中，傳送的測(cè)繪信息精度高，可以將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化成三維正攝影像圖，有些甚至可轉(zhuǎn)化為三維可視化影像，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、航空測(cè)繪、遙感等的結(jié)合，繼而提升地形測(cè)繪整體的精確度。

1.1.3具有更強(qiáng)靈活機(jī)動(dòng)性

主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。1）無(wú)人機(jī)內(nèi)裝有高精度數(shù)碼攝像設(shè)備，可從垂直、傾斜2個(gè)方向拍攝測(cè)量區(qū)域，且升降不需要在專業(yè)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。2）無(wú)人機(jī)可在預(yù)設(shè)的飛機(jī)航線的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分型。3）可一次設(shè)置多個(gè)地形測(cè)量航拍點(diǎn)，全面采集航拍點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并及時(shí)上傳相應(yīng)的地形情況，實(shí)現(xiàn)高效工作。

1.1.4具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益

主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。1）無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的成本相對(duì)較低，又融入了多種先進(jìn)技術(shù)，如通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等，可提升地理信息的獲取效率。2）無(wú)人機(jī)測(cè)繪周期較短。

1.2誤差來(lái)源

無(wú)人機(jī)常見(jiàn)誤差來(lái)源包括儀器誤差、人工誤差、氣候及其他外界因素誤差等。首先，儀器誤差產(chǎn)生的主要原因包括儀器本身的設(shè)計(jì)與制作較差、檢驗(yàn)校正不良等，其中又以傳感器量化系統(tǒng)誤差最為典型。其次，人為誤差產(chǎn)生的原因包括人感官鑒別有限、技術(shù)水平較低、工作態(tài)度不端正、像控識(shí)別、空三測(cè)量、數(shù)據(jù)采集等。最后，氣候及其他外界因素誤差產(chǎn)生的原因是天氣會(huì)對(duì)飛行器姿態(tài)與成像質(zhì)量產(chǎn)生影響。上述誤差均會(huì)對(duì)地形測(cè)繪結(jié)果精度產(chǎn)生消極影響，應(yīng)在具體施工中對(duì)其進(jìn)行有效糾正與避免。

2、工程概況與方案設(shè)計(jì)

2.1案例

該公司受一房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司委托，測(cè)量與繪制面積為3km2的1∶2000數(shù)字線劃地圖（DLG）。該地位于該市東南部，平均海拔500m，屬丘陵山地地帶。經(jīng)分析，利用一般外業(yè)測(cè)繪法較為困難，且工期較長(zhǎng)、成本較高，所以選擇無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)該地點(diǎn)的地形圖進(jìn)行測(cè)繪。

2.2方案設(shè)計(jì)

對(duì)該項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行分析后，選擇使用成都縱橫CW-10無(wú)人機(jī)+索尼7RII相機(jī)進(jìn)行測(cè)繪活動(dòng)。由于無(wú)人機(jī)測(cè)量會(huì)受到風(fēng)速、光線等影響，因此，選擇風(fēng)速較小、光線良好的下午進(jìn)行航空測(cè)量。之后，測(cè)繪人員憑借長(zhǎng)期的測(cè)繪經(jīng)驗(yàn)、過(guò)硬的理論知識(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)整體航測(cè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。有關(guān)測(cè)繪人員要做到以下4點(diǎn)。1）通過(guò)文件查閱、實(shí)地勘察、網(wǎng)上搜索、調(diào)研等，了解測(cè)繪區(qū)的地形地貌特征，全面分析測(cè)繪區(qū)的具體情況，劃分無(wú)人機(jī)飛行分區(qū)，設(shè)計(jì)飛機(jī)航線圖。2）將飛機(jī)高度、航攝方向等全部相關(guān)信息準(zhǔn)確無(wú)誤、清晰細(xì)致地標(biāo)注在飛行圖紙上。3）按照測(cè)量區(qū)的大小與地形、地形圖要求信息、當(dāng)?shù)乜刂泣c(diǎn)情況等設(shè)計(jì)航測(cè)控制點(diǎn)，確保實(shí)現(xiàn)全覆蓋航攝。4）布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)要考慮不同影像的結(jié)合點(diǎn)，并設(shè)置必要的檢查測(cè)點(diǎn)。通過(guò)上述措施，確保無(wú)人機(jī)航攝能夠順利完成。

作業(yè)時(shí)，共采用4架無(wú)人機(jī)，最大飛行速度80km/h，相對(duì)航高500m，共有6條飛行航線，航飛面積覆蓋3km2，最終獲得了423張航空影像。總體來(lái)看，影像色彩清晰、均勻且色調(diào)正常。

3、無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1外業(yè)測(cè)量

無(wú)人機(jī)航攝路線確定后，需要將重點(diǎn)放在航攝控制測(cè)量上。就該區(qū)域情況而言，測(cè)繪人員一般要先將具體測(cè)量區(qū)域分為不同網(wǎng)區(qū)，并在2條及以上航線處布設(shè)平高點(diǎn)，像控點(diǎn)距離不超過(guò)4條航線。此外，為了很好地控制像素點(diǎn)，應(yīng)用CPS與RTK結(jié)合的技術(shù)測(cè)量控制點(diǎn)，且由于測(cè)繪區(qū)地形較復(fù)雜，所以要對(duì)高程空點(diǎn)平面坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)還應(yīng)用華測(cè)航測(cè)數(shù)據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)空三測(cè)量加密。

像控點(diǎn)布設(shè)要求有2點(diǎn)。1）以平高點(diǎn)、基線為基礎(chǔ)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，一般而言，基線數(shù)量為4條或6條以上（針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)），偏遠(yuǎn)地區(qū)還應(yīng)設(shè)置2條以上旁向跨度基線，如果測(cè)繪區(qū)域不規(guī)則，則還應(yīng)在拐角區(qū)域內(nèi)布設(shè)平高點(diǎn)。2）起算點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多為D級(jí)與E級(jí)GPS控制點(diǎn)，測(cè)繪過(guò)程中工作人員要靈活、合規(guī)應(yīng)用不同設(shè)備。

加密點(diǎn)布設(shè)要點(diǎn)有3點(diǎn)。1）加密點(diǎn)一般要位于測(cè)量區(qū)較突出的位置，如田坎、林間空地、房角、道路邊角等，自由邊處要將點(diǎn)選擇在測(cè)量范圍外。2）專門標(biāo)記各加密點(diǎn)的距離，在比例尺為1∶10000的地形圖中，加密點(diǎn)的距離至少為1mm。3）對(duì)山谷、河道等區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，要提高航測(cè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)高差，在平坦地突然變?yōu)樯仙降靥帲肯駥?duì)增加加密點(diǎn)1～2個(gè)，以免影響相對(duì)定向，穩(wěn)定測(cè)繪活動(dòng)。加密點(diǎn)布設(shè)完后，便可進(jìn)行空三測(cè)量，測(cè)繪工作人員要科學(xué)控制航測(cè)像素精度，大多采用1/3或2/3像素，并視實(shí)際狀況將影響精度調(diào)控至1/2像素。

誤差消除：數(shù)碼影像會(huì)受傳感器有關(guān)因素的影響而存在畸變差，如感光單元、物理鏡頭等，進(jìn)而影響測(cè)量成果的精度，使其不能滿足對(duì)應(yīng)工程的要求，對(duì)此可通過(guò)建立相應(yīng)畸變數(shù)字模型進(jìn)行糾正，從而獲得可量化影像。攝影比例尺分母與航高須經(jīng)過(guò)2步才能得到，先以成圖比例尺為依據(jù)，得到實(shí)際地面分辨率，再以鑒定焦距為依據(jù)，得到這2個(gè)參數(shù)，實(shí)際地面分辨率確定后，通過(guò)合理確定相機(jī)攝影設(shè)置方式，以控制高程的采集精度。

該項(xiàng)目中，無(wú)人機(jī)航空飛行的高度為700m，共有2架次飛機(jī)，27條航線，航程共計(jì)320km，時(shí)長(zhǎng)3h，總共拍攝照片2200張。

3.2內(nèi)業(yè)處理

該項(xiàng)目所應(yīng)用的主要內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件為ContextCapture，處理時(shí)，內(nèi)業(yè)人員遵循“所見(jiàn)即所得”原則，并構(gòu)建加密成果模型，實(shí)現(xiàn)全要素采集、匹配與模型編輯等，初步完成測(cè)繪目標(biāo)。空三加密工序?yàn)榧用軠?zhǔn)備→內(nèi)定向→相對(duì)定向→絕對(duì)定向，形成成果并上交。利用航攝儀鑒定資料，如焦距、像素大小與行列數(shù)、像素值參考位置等進(jìn)行內(nèi)定向。相對(duì)定向中，連接點(diǎn)上下視差中誤差<1/3像素，連接點(diǎn)上下視差最大殘差<2/3像素，特別困難地區(qū)或資料放寬至1/2像素，對(duì)比原航攝資料，以該次航攝區(qū)域當(dāng)中所收集的顯著地物點(diǎn)坐標(biāo)作為像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用inpho軟件完成控三的加密工作，同時(shí)將其制作成DOM成果。如圖1所示。

結(jié)語(yǔ)：

精度是地形測(cè)繪圖的靈魂，無(wú)論采用哪種設(shè)備、哪種測(cè)量方式進(jìn)行地形測(cè)繪，都要將精度作為第一關(guān)注點(diǎn)。無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量是先進(jìn)的測(cè)繪方式，本身就具有很好的可靠性，主要包括像控點(diǎn)布設(shè)、空三測(cè)量、數(shù)字化測(cè)繪、外業(yè)補(bǔ)測(cè)等多個(gè)應(yīng)用流程，同時(shí)也包括不同測(cè)量誤差，有些誤差可通過(guò)一定的數(shù)理公式進(jìn)行糾正，有些誤差則需要依靠測(cè)繪人員的謹(jǐn)慎操作進(jìn)行控制。具體施工過(guò)程中，測(cè)繪人員要合理、正確應(yīng)用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，并科學(xué)糾正誤差，嚴(yán)格謹(jǐn)慎操作，以此來(lái)提高地形測(cè)繪圖的精度。

參考文獻(xiàn)：

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