論地形測繪中無人機航測技術的應用

黃禮強

綿陽東展空間信息科技有限公司 四川 綿陽 621000

鑒于我國經濟的快速發展，各行各業對地形圖的需求也逐漸增加。現有的地形測繪大多采用GPS、全站儀等常規設備，先進行控制測量，然后再進行碎部測量，完成外業實地數據采集后，還需要進行內業繪圖，最后還要編輯圖形及輸出圖形。這些傳統的地形測繪作業模式的共同點就是，外業實地采集數據需要大量人力和物力，對于作業人員不能到達的區域，就會出現較大的問題，而且工作相率較低，成本較高。隨著科學技術的不斷發展，在測繪地理信息行業中運用了比較先進的數字航空攝影測量技術，尤其是無人機航測技術可以充分發揮高速、低成本、高效率、高精度的優勢，為測繪行業發展增添動力。

1 無人機航測技術的介紹

無人機航測技術就是無人機平臺與數碼相機信息采集技術的有機結合，主要由硬件和軟件系統部分組成。硬件系統包括無人機操作系統和地面監控系統。軟件系統包括數控拍攝、遠程飛行操控、通信數據預處理等。無人機航測具有機動靈活、高效準確、消耗成本低、操作簡單、適用范圍較廣等特點，尤其適用在小范圍、飛行困難地區的地理信息采集工作。隨著無人機航測技術的推廣，在重大工程建設領域、國土資源調查與監測、自然災害應急與處理等方面廣泛應用。

2 無人機航測技術的優勢分析

(1)成本相對較低且操作簡單。無人機航測平臺構建、維護以及作業成本相對較低，對操作員的培養周期相對較短，設備系統的保養和維修簡便等。

(2)機動靈活且安全性高。無人機低空飛行，受天氣因素的影響較小，無需機場起降，對起降場地要求較低，同時飛行審批手續、流程也簡單易辦。將無人機航測技術應用于城鎮、村莊等測繪項目中，由于其具有機動靈活、操作方便等優點，能夠快速到達測區。無人機航測活動是非載人飛行，在高危地域獲取測繪數據時可更大程度上降低危險性。

(3)作業周期短及效率高。在面積范圍較小的大比例尺地形測量任務中，使用無人機航測受地形因素影響較小，能夠進入各種復雜地域（高原、盆地、林地等）進行攝影，獲取準確、完整的數據信息，有效拍攝時間長，作業效率得到了極大提高。

(4)測圖的精度較高。無人機正常作業的飛行高度一般在100-800m之間，可以滿足1：500、1:1000、1:2000的分辨率的DOM、DLG的航拍要求，攝影測量精度達到了亞米級，精度范圍通常在0.1-0.5m。由于各種設備技術的發展和系統整體集成技術相對成熟，能夠獲取高分辨率的數字影像和準確的數據信息，能夠滿足測繪行業的需要。

(5)社會經濟效益較高。這主要是因為無人機航測技術的成本投入相對較低，而且通過無人機平臺搭載數字攝影技術與通信網絡技術、數據接收預處理等技術，不僅能有效地收集各種地理數據，而且能創造具有巨大社會和經濟效益的航空攝影技術。通過低空飛行，不僅可以獲得大范圍的攝影資料，而且可以縮短距離和測繪周期，具有很大的社會效益[1]。

3 無人機航測技術應用中存在的問題

無人機航測過程中，受到外界各種復雜因素影響較多，同時存在很多不確定性。例如:

(1)全局位置和加密精度是從局部測量網絡充分估計的，模型誤差相對較小，但方向精度可能會超過模型限制。這些單個點的定向精度超過了一個閾值，該閾值會導致整個顯示器的定向點出現較大的投影。

(2)無人機在實地使用中存在一定的局限性。這是由于城市高層建筑多，人口密度高，無人機很難找到合適的起降地點。此外，不同類型的無人機對起降、疏散條件和通信范圍的要求也不同。因此，始終難以在任何時候和任何情況下獲得無人機地形測量。

(3)無人機體積小、重量輕，配備常規航拍設備，無法進行航拍，而且大多是經過改造（電路處理和改裝）后的普通反光鏡。使用無線相機拍攝航拍照片，感光相機的偏移量往往很小，這意味著成圖效果質量不符合高精度測量要求。

(4)無人機通常有兩種動力來源：燃料和電池。如果無人機配備的電池為8000mAh，續航時間只能維持45～50min。消耗燃料的無人機會增加續航時間，但無人機結構相對簡單，在飛行過程中需要人工進行干預對航線及拍攝影像等進行修正。在高空飛行時突然遇到強風（或強氣流、強磁場等）時，可能造成無人機不受控制偏離規劃航線，攝影成像獲取的數據質量及測控精度將受到嚴重影響。

4 地形測量中無人機航測的應用分析

4.1 像片控制

(1)影像資料分析

使用無人機航測時，考慮到測量結果的準確性，可以將數字圖像頁面通過間隔和重疊分別微調30%和40%。同時，檢查航向重疊程度并保持在65%-75%以內。通過這種檢查，可以確保拍攝區域在航拍過程中沒有缺陷，并檢查拍攝路線的完整性；增大航向旁向重疊率，可以確保影像拼接時沒有漏洞，使生成的圖像質量滿足的測量技術規范要求。

(2)像控點布設

像控點布設位置應在空曠，四周無遮擋，在以像控角度傾斜45°的地方（與地面夾角），盡量保持無人機能拍攝到像控點。像控點應清晰，易于識別和便于測量。共用像控點一般布設在航向及旁向6片重疊范圍內，選定特別困難時也可以在5片重疊范圍內，像控點距圖像邊緣不少于1-1.5cm。

4.2 像控點測量

像控點測量主要采用“GPS RTK”方法進行測量，基準站應架設在測區中部位置或測區最高處，以保證移動站與基準站之間數據鏈的無遮擋傳輸。通過移動站鏈接基準站對已知控制點轉換參數的換算校核，在進行轉換參數的求取時，已知控制點的個數大于3點，并且轉換參數的殘差值小于0.03m，然后利用專用對中桿進行像控點的測量，像控點的觀測時間均大于60s，并記錄該點平面坐標及其高程值，確保像控點的點位精度。

4.3 選取飛行平臺及攝影相機

選用DJI四旋翼垂直起降無人機自帶高精度差分GPS，采用3500mAh 12V大容量鋰電池，能量最大值為42Wh，飛行時振動小，巡航速度5-20m/s，曝光時長小于1/1600s，可以保證像點位移在1/3像素以內；相機參數，選用2000 萬像素具有12.6檔動態范圍，單像素高達2.4μm，搭配成像質量較好1英寸大底CMOS鏡頭。

4.4 科學規劃航線

科學地規劃無人機航跡線路是任務規劃的核心內容，需要綜合地應用GPS導航技術、遠程遙控及數據傳輸、數字信息化處理技術，以獲得全面詳細的無人機飛行狀態以及環境信息。首先是飛行前預規劃，即根據既定測量任務，結合空域限制與飛行約束條件，從整體上制定最優參考路徑；其次是飛行過程中的調整規劃，即根據飛行過程中遇到的突發情況，如地形較大變化、氣象變化、未知限飛禁飛等因素，動態地調整飛行路徑或改變動作任務。結合無人機自身技術指標特點，按照一定的航跡規劃方法，制定最優或次優路徑方案。因此，飛行航線規劃需要充分考慮電子地圖的選取、標會、航線預定規劃以及在線調整時機。

4.5 無人機航攝

根據申請飛行區域及飛行時段，按照內業規劃的航跡線路進行測繪作業，找到合適的起飛和降落地點，對每塊區域進行拍攝采集照片。

(1)飛行執行。在設備檢查完成，并對即將飛行的空域進行安全確認，將無人機解鎖起飛。無人機操作人員通過遙控器實時控制飛行，地面數據收集人員通過飛機傳輸回來的參數觀察飛機狀態。無人機到達安全飛行高度后，操作人員通過遙控器收起起落架，將飛行模式切換為自動任務飛行模式。同時，無人機操作人員需通過目視對無人機的動態實時關注，地面數據收集人員留意飛控軟件中飛行姿態、電池狀況、飛行速度、飛行高度、航線完成情況等，以此保證飛行安全。若飛行過程中，信號缺失，需假設網絡RTK 或建立無線電臺和地面站。

(2)飛行監控。飛行過程中時刻關注飛行器狀態、高度速度以及實時圖傳，飛行器衛星數，遙控器信號，飛行器電池電量。通過遙控器顯示屏的相機回傳信息小窗口監測相機五個視角是否正常持續拍照。

(3)飛行結束。無人機完成設定的飛行任務后，降落時應確保降落地點安全，避免路人靠近。降落成功后及時檢查攝像機中的影像數據、飛控系統中采集的數據是否完整。根據收集的完整數據進行分析，并對獲取的影像進行質量檢查，對不合格的影像區域進行補飛，直到獲取的影像質量滿足要求。

4.6 空中三角測量

空中三角測量也是無人機航測中比較常見的技術，主要是利用無人機處理軟件進行空三加密解算，將地形位置信息準確的測量出來。數據處理自動化程度較高，處理過程中對控制點文件、相機參數文件、POS數據以及原始影像的準備。在數據處理系統的運行中，必須盡量減少人為干預的影響，再通過POS數據來實現自動化處理，對連接點自動匹配及提取，自動對粗點和差點進行篩選，同時檢查整個測區內部連接點的分布情況，對部分不滿足要求的連接點可以進行人工手動增加，從而確保航線和所建模型之間的連接強度滿足要求。

4.7 數據采集

數據收集以無人機航拍數據為基礎，MapMatrix軟件廣泛應用于4D數據生產，可以深入分析各種地形地貌特征，提高有效測量效果。此外，測繪人員采用分層存儲格式，有效組合點、線、面信息，進行地形分析，檢查采集有無遺漏、綜合取舍情況，將采集到的圖形信息認真翔實記錄，方便后續操作。

4.8 內業數字化測圖處理

(1)地物地貌測繪。通過航拍地形特征繪制地圖。三維測圖可采用全野外調繪后測圖，或通過內判測圖后外業對照、補測和補調的方法。首先，航拍照片的當前位置非常好，可以準確判斷地物地貌特征元素，根據測繪制圖要求分析直接測繪在圖板上。對不能準確判準的地物地貌元素，內業作業人員提出疑問轉交給外業人員處理。

(2)接邊和結尾處理。若地物、地貌相關元素無法準確判斷，內業工作僅需將外在輪廓繪制出來即可，其它作為疑點交給外業做相應處理；外業工作負責檢查、核對內業測繪工作，并對目標明確、元素清晰的部分進行抽查，補調內業工作無法識別的地物、地貌、地形元素。地物、地貌測量時，應在對應儀器上和已完成繪圖邊進行接邊處理，每張圖像測量完畢后，應仔細調整和仔細檢查。

4.9 外業調繪

外業調繪的內容在圖上表示時要求必須清晰可見，同時各種標記要準確無誤、位置合適、書寫工整。補測時，可以采用以明顯地點為起始點的交會法或截距法。成片的用全站儀或GPS RTK進行補測，外業補測地物精度也要符合設計中的規定，滿足相應的精度要求[2]。

4.10 精度檢查

對繪制圖幅成果精度進行隨機檢查。

(1)檢查點立體量測，將“空三”結果導入到全數字攝影測量系統，在立體上量測檢查點三維坐標。

(2)檢查點野外量測，使用科力達GPS RTK 測量檢查點位的三維坐標。

(3)精度對比，以檢查點位測量精度，其平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計算。

式中：

m1——檢查點中誤差，單位為米(m);

Δi——檢查點野外實測值與立體觀測值的誤差，單位為米(m);

n ——參與評定精度的檢查點數(每幅圖20-50個)。

4.11 成果質量檢查驗收

測量成果檢查驗收，采用HBCORS RTK網絡實測方法動態確定DLG圖的精度。其中包括36張實地巡檢圖像和43張實檢圖像，共占21.3%。地圖上總共有 53 個點有明亮的物體，例如田野和山脊的交叉點、房屋的角落。從飛機的精度和海拔高度入手，將地面實測坐標與地圖上得到的坐標進行對比，進行統計分析。以下是DLG地圖精度統計（部分數據）得到的結果：田野、山脊、房角的平面位置最大中誤差是53.7cm（限差為60cm），最大誤差是58.6cm（限差為120cm）；高程最大中誤差是63.5cm(限差為70cm)，最大誤差是68.7cm（限差為140cm）。符合《1:500 1:1000 1:2000 地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》（GB/T 15967-2008）規定精度要求最大誤差不應超過兩倍中誤差，成果質量檢查合格[3]。

4.12 注意事項

(1)在航空攝影測量過程中，測繪人員必須審查最終數據以及測量區域的實際位置。對各種航拍設備進行科學校準和全面檢查。航拍設備的科學校準檢查可以有效減少錯誤，從而避免圖像失真，使最終的航測數據更加準確。

(2)根據測區的實際位置，采用自動化操作方式，利用先進的信息系統，正確分配各個方位點。在滿足測量規范以及客戶的精度要求，盡量減少錯誤測量數據的輸出，為了大大提高測量質量，必須及時加密存儲數據并避免數據丟失。

5 結語

結合使用無人機航空攝影進行地形測量，極大地提高了測繪效率，并縮短周期且消耗成本相應降低，同時提升了對土地信息的采集和數據處理能力，為當地城市規劃和基礎設施建設提供相關數據支撐。了解無人機航空攝影測量技術的優勢和重要性，在測繪工作運用和創新，實現地形測量的自動化操作和智能化分析，并推動無人機航測技術在測繪行業方面的發展。