大比例尺地形圖測量無人機航空攝影測量技術分析

周 謙，張 文

（湖南省有色地質勘查局二一七隊，湖南 衡陽 421000）

隨著我國經濟的高速發展，各領域對大比例尺地形圖的需求日益增加，同時對成圖的現勢性也要求甚高。傳統的小范圍測圖和局部數據更新主要依靠全站儀以及衛星導航系統相結合的全野外數字作業方法，這種生產方式效率低下、成本較高而且勞動強度大，已不能滿足當今業務發展的需要。而通過無人機航空攝影測量技術的應用，能夠大幅度提高工作效率和節省人力，受環境及天氣影響較小，適用性較強，用戶多元化測量需求也得到滿足。

1 無人機航空攝影測量技術簡介

1.1 技術原理

無人機航空攝影測量技術的原理是以無人機作為飛行平臺，搭載專業數字航測設備進行拍攝和記錄，以獲取高精度和高分辨率航空影像為應用目標，再通過數據處理系統進行影像數據的后期加工，制作符合國家標準的各種比例尺的地圖產品[1]。

1.2 應用優勢

無人機航測技術的應用，實現了無人機與航空攝影測量的有機結合，打造了無人機數字低空遙感新空間，在基礎測繪、國家工程建設、數字化城市建設、災害應急處理等領域都得到廣泛應用。就無人機航空攝影測量技術的應用優勢來看，其主要體現在以下幾個方面。

其一，數據采集能力強。無人機通常是低空作業，空域申請便利，而且往往不會受到地形的影響，能夠進入到復雜的地域中進行拍攝，對于數據的采集能力較強。無人機航測技術集3S技術于一體，技術應用過程中具有實時觀測和空間數據快速處理的特征，地形測繪中可對大面積測量數據加以獲取。

其二，提高地形測繪整體精確度。無人機自動化較強，依據預定航線飛行，可以保持著相對穩定的運行狀態，內部所安裝數碼攝像設備的精度較高，可從垂直與傾斜方向對測量區域進行拍攝，與此同時，通過數據的整合還能夠形成彩色三維可視化數據，將無人機航空攝影測量與其他測繪技術結合運用，地形測繪整體精確度更高。

其三，靈活機動性較強。無人機無需在專業區域內進行升降，在預設飛機航線基礎上無人機可自動飛行，而且無人機能夠搭載各種傳感器，進而有效提高無人機功能的靈活性，若是地形較為復雜，無人機能夠便捷地進行轉場，機動性突出。

其四，經濟效益顯著。無人機測繪技術實現了多項先進技術的融合，成本較低，測量數據獲取效率也比較高，實際測繪周期短。

1.3 誤差來源

無人機航空攝影測量技術的應用難免存在一定誤差，主要來自于儀器誤差、人工誤差、氣候誤差、其他外界因素誤差等。儀器誤差的產生，與儀器自身設計制作、校驗校正、傳感器量化系統等都存在密切關聯。就人工誤差來看，與感官鑒別、技術水平、工作態度、數據采集等存在一定關系。就氣候及其他外界因素來看，主要是飛行器姿態與成像質量會受到天氣的影響。

2 地形測繪中無人機航空攝影測量技術的應用要點

2.1 航線設計

在無人機航空攝影測量實施過程中，航線的設計直接關系到獲取影像的質量及內業處理的精度。航線的設計主要包括航高、航線的數量、總航線里程數等，而它們直接決定了獲取影像的地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等一些與航線設計相關的參數[2]。

地面分辨率是由航高、焦距和像元尺寸所決定的，其互相關系為：GSD=α×H / f，式中，H為航攝高度，f為鏡頭焦距，α為像元尺寸，GSD為地面分辨率。基于以上地面分辨率與航攝高度的對應關系可知，確定了地面分辨率即決定了航高，但所攝區域地形通常是有起伏的，這樣會導致分辨率降低；而且在高山區域，如果不考慮飛行區域地形就決定航高，可能會導致無人機撞上山體。

影像的立體量測就是依靠其重疊部分進行的，航向重疊度一般為68%～75%，旁向重疊度一般為35%～40%，重疊度不夠會影響空三成果，而重疊度太大又會增加工作量[3]。影像的預設重疊度與實際重疊度往往有一定差異，當地表起伏較大時，差異更顯著，可能會導致獲取的影像不符合實際需求。

因此在實際作業中，應根據規范要求，結合實際地形，盡量滿足所有要求，運用最優的航線設計。

2.2 內業處理

利用無人機航空攝影測量技術獲取到穩定、高清的原始數碼影像、以及照片拍攝點的空間位置、姿態信息，結合相機畸變參數，通過專業的空三軟件方便快速的做好匹配、平差、拼接等工作，最終生產出滿足1:500、1:1000、1:2000等各種大比例尺的數字正射影像圖DOM、數字高程模型DEM、若需要DLG數字線劃圖，則可以增加立體測圖環節，利用立體測圖軟件快速高效的直接生產出帶符號化的DLG[4]。

2.3 外業調繪

在內業立體測圖完成后會形成初步的地形圖成果，這時需要開展外業調繪，以DLG為基礎獲得全要素野外調繪圖，進行詳細核查和調繪，主要包括對內業數據采集遺漏或不可見的地物地貌進行補測、屬性調查、屋檐改正、電桿連線及地形圖表示綜合取舍等，保證地形圖成果的正確性和完整性，最后利用CASS成圖軟件進行編輯整飾成最終產品。

2.4 精度分析

就誤差進行分析與調整，采取有針對性的處理措施，以提高成果的精準度。測繪完成后應確定測量結果的精度，經檢驗及誤差改正，確保坐標及高程誤差處于標準范圍內。

3 大比例尺地形圖測量無人機航空攝影測量技術應用案例

3.1 項目概況

以我隊承攬的湖南省有色新田嶺鎢業有限公司1:2000航空攝影測量項目為例，該測區平均海拔高度達到680m，航攝面積40平方公里，航攝地面分辨率為17cm，以航空攝影、空三加密、DEM、DOM、DLG生成為主要測繪任務。本項目中平面坐標系統采用CGCS2000坐標系，高斯-克呂格投影，3°分帶，中央子午線114°，高程基準采用1985年國家高程基準。

3.2 無人機航飛實施狀況

在本次任務中采用先知2S差分版固定翼無人機，攜帶準專業級索尼RX1R II數碼微單相機，像素達到4240萬，配置定焦鏡頭為35mm，利用自帶專業航線設計軟件制定測區飛行計劃，考慮本攝區地形為山地，地勢起伏不平，所以本次航攝分3個航攝區進行航攝，飛行高度約1400m，航飛面積達40平方公里，31條航線共計拍攝航片1707張。無人機飛行時段為中午時段，確保風向穩定且風速較小，保證航線彎曲度與航拍質量可靠，經檢查所攝影像均無云影遮擋，圖像清晰，色彩均勻，反差適中且色調正常，滿足設計要求。

3.3 像控點測設

本次任務采用區域網布設像控點，均勻布設像控點116個，在兩條及兩條以上平行航線處布設平高控制點，每對像控點分布在標準點位處，且相距不超過4條基線。像控點外業測量采用HNCORS網絡RTK測繪技術，根據圖根控制點測量規范嚴格執行相關的測量方法和技術標準，將像控點平面、高程誤差控制在±5cm范圍內。

3.4 全數字空中三角測量

本項目運用武漢航天遠景的HAT自動空中三角測量軟件，采用整體約束法進行區域網平差。加密過程采用全自動相對定向匹配模式，并按照控制片上的刺點位置將外業像控點量測到區域網的相應像片上，然后區域網進行光束法整體平差，先調整粗差點，再對超限點進行微調，嚴格按照攝影測量規范控制各項誤差值，確保空三加密成果符合精度要求。

3.5 數據采集

在航天遠景MapMatrix攝影測量工作站上導入空三加密成果，通過匹配和編輯直接生成DEM數字高程模型和DOM數字正射影像，并恢復立體模型，采集DLG數字線劃圖。采集時遵循“內業定位，外業定性”的原則，內業對有把握能夠判準的地物、地貌元素，按圖式符號直接采集。對無把握判準的地物、地貌元素（包括隱蔽地區、陰影部分和小的獨立地物）盡量采集，并做出標記由外業實地進行精確定位補調。

3.6 外業調繪

外業調繪采用全要素室內外綜合判調法，采取先室內判讀、采集，再套合DOM出圖后野外檢核和補充調查，對屬性信息進行注記，對內業數據采集遺漏或不可見的地物地貌進行補測，最后利用CASS成圖軟件編輯整飾成最終的1:2000地形圖產品。

3.7 成果質量檢查驗收

采用HNCORS網絡RTK測繪技術野外實測檢驗地形圖的精度，選取道路交叉處、田坎交叉處、構筑物基角、山頂等明顯地物點共351個，經對比平面坐標和高程值，最大平面誤差為48.2cm，最小為2.0cm，點位平面中誤差為±0.152m，符合規范限差要求；最大高程誤差為32.0cm，最小為5.0cm，高程中誤差為±0.102m，符合規范限差要求。質量檢查驗收后，確定該測區所測定圖幅產品合格，無人機航測任務順利完成，質量優良，其中某一幅地形圖和影像圖如下圖1所示。

圖1 地形圖和影像圖

4 結語

無人機航空攝影測量技術是一種現代化的空間數據獲取手段，應用優勢顯著，能夠顯著提升測量的精準度與可靠性。在大比例尺地形圖測量中無人機航空攝影測量技術的應用，能夠有效提高數據采集效率，實現地形的精準測繪，同時獲取清晰的地形圖，是提高測繪成果現勢性的有效手段。