無人機航攝在基礎測繪1∶10 000 DOM與DEM局部更新中的應用

王 友，趙彥棟

(甘肅省地圖院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

近年來，隨著經濟的高速發展和基礎設施建設的進程加快，局部范圍內的地形地貌發生了很大的變化，而基礎測繪數據的快速更新，特別是地形要素的快速更新為后期規劃起到了至關重要的作用。無人機航空攝影測量技術作為目前最高效的手段之一，可以更準確、更全面、更快速地獲取局部變化范圍內的地形地貌，大大提高了更新效率和效果。

現階段的基礎測繪數據獲取主要是利用大型運輸飛機搭載航攝儀(ADS80，ADS100)或衛星影像進行數據生產。前者飛行條件嚴格、天氣要求苛刻，一個架次的航攝面積過大，針對局部更新成本過高；而后者更新時間過長，影像覆蓋面積更大，時效性低，無法進行隨時補飛和航攝。當前社會發展較快，更新速率也比較快，如果再采用原有數據獲取模式，就很難滿足市場上用戶的需求。而無人機航測技術的發展無疑彌補了這一缺陷，也成為這兩種方式的有效補充。

與原有數據獲取手段相比，該技術可實現短時間快速起飛、快速完成，同時測繪成本更低。無人機可實現單日至少幾十平方公里的測繪面積，非常適合當前基礎測繪地形小范圍變化更新、高速化、高精度化的發展趨勢[1]。

1 無人機航攝技術在基礎測繪1∶10 000局部更新中的技術方案

本文采用無人機航攝技術輔助基礎測繪1∶10 000局部更新，主要流程包括影像獲取、數據處理以及數字正射影像(DOM)、數字高程模型(DEM)成果與已有基礎測繪1∶10 000數據的融合。本文根據省級基礎測繪變化更新項目案例，具體討論該技術實際應用與方法。

1.1 無人機影像數據獲取

首先，結合前期影像資料，確定變化更新范圍。根據實地勘察，了解測區的氣象條件和地形條件，查看周圍是否有高大建筑、障礙物等；再根據無人機和載荷設備的實際情況調整飛行計劃。具體航攝步驟如圖1所示。

圖1 航攝工作流程

其次，前期需進行像控點布設。隨著當前科技的發展，即便無人機配備了定位定姿系統(Position and Orientation System，POS)，又稱高精度位置與姿態測量系統(IMU/DGPS)[2-3]，使得航測精度得到大幅提升，但也無法保證在各種地形條件下都能滿足高程精度的要求。所以，為保證精度達到規范要求，需要在野外進行像控點量測。

最后，在獲取數據后進行數據的質量檢查。根據航攝規范要求，相鄰相片的航向重疊度一般要求在60%～80%，旁向重疊度15%～60%，在高差大的地區，還應擴大重疊度[4]。假如重疊度不夠，照片之間就會產生航攝漏洞，需現場進行影像快拼檢查，如有漏洞，需要補飛。

1.2 無人機影像數據處理

無人機數據處理一般包括數據預處理、空中三角測量、密集點云匹配、點云分類、點云濾波、數字地面模型、數字正射影像生產等流程。本文采用Agisoft photoscan影像處理軟件[5]，首先，利用無人機的POS數據進行對齊照片，即利用無人機自帶POS系統進行區域網平差解算，為保證精度要求，再利用像控點進行控制點平差，即完成空三測量；其次，對區域網模型中高重疊度的影像，采用同名點前方交匯的方法進行影像密集匹配處理，獲取海量點云數據；再次，進行點云分類和數據濾波處理，生成空三加密成果的DSM；最后，通過DSM對原始影像進行數字微分糾正，最終生產出數字正射影像數據DOM。具體流程如圖2所示。

圖2 技術路線

2 應用案例

2.1 測區概況

以甘肅省定西市稱鉤驛鎮為研究區。測區沿西南至東北呈狹長地形，兩側為山地，平均海拔1 942 m，屬于溫帶大陸性氣候。本文選取其中一塊地貌變化較大區域進行航飛作業，該區域面積為7.2 km2，長5 km，寬1.5 km。

2.2 航飛情況

本次航飛使用縱橫CW-15復合翼無人機，可以垂直起降，受起降場地影響較小，穩定性強，并自帶POS定位系統，配備PPK后差分模式，可有效保證數據精度，云臺搭載SONY-A7RⅡ型正射相機。相機參數及航攝參數設置如表1所示，具體航線規劃如圖3所示。

表1 相機參數與航攝參數

圖3 航線規劃

本次航攝共飛行了兩個架次，采集航片1 038張，航攝期間天氣良好，風速3～4級，飛行姿態穩定，無偏航情況，飛行質量較好，重疊度滿足設計要求。

3 成果與應用

3.1 成果輸出

根據本次航飛數據，最終生成該測區的DOM，DEM以及等高線，分別如圖4～6所示。

圖4 DOM

圖5 DEM

圖6 等高線

3.2 數據融合

3.2.1 DOM與已有數據融合

無人機航飛成果的地面采樣間隔(GSD)為0.06 m，將無人機成果影像重采樣為1 m分辨率，將處理后數據與原有衛星影像進行融合拼接，勻光勻色處理，完成影像更新。

3.2.2 DEM與已有數據接邊

由于基礎測繪更新圖幅比例尺為1∶10 000，可將最終DEM成果抽稀至5～10 m格網間距使用并生成等高線。將生成變化區域的等高線與已有等高線接邊，完成基礎測繪局部更新。如圖7所示，左上方等高線為原有等高線，右下方等高線為無人機影像匹配處理后等高線和原有等高線重合區域，基本與原始影像套合一致。

圖7 等高線套合

4 精度驗證

為了保證平面精度和高程精度符合規范的要求，本文在航攝范圍內共選取了9個均勻分布的控制點進行量測，分別在道路交叉口、圍墻拐角等明顯地物處進行標記點制作。將實測坐標與影像上同名點坐標進行差值比較與中誤差計算。

如表2所示：平面位置最大誤差為0.14 m，最小誤差為0.01 m，平面位置中誤差為0.12 m；高程位置最大誤差為0.50 m，最小誤差為0.02 m，中誤差為0.26 m；等高線接邊誤差均在5 m內，滿足限差要求。結果表明，在高山地區，無人機影像成果不僅達到了1∶2 000成圖精度要求，還達到了1 m格網等高距的精度要求，因此完全滿足省級基礎測繪1∶10 000地形圖的精度需要。

表2 精度統計表

5 結語

實踐證明，將無人機航空攝影測量技術用于1∶10 000基礎測繪地形變化更新上，能高效、快速地完成生產任務。隨著我國經濟的快速發展，城市規劃、道路橋梁設計、水利設施建設等行業對測繪數據的需求越來越大，時效性也越來越新，為加快響應和更新速度，無人機航空攝影測量技術作為一種高效的測繪手段，必將推動測繪行業的蓬勃發展。