無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

趙文嬌

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)交通工程學(xué)院，山西 晉中 030619）

1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 基本原理

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)主要是結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)和航空攝影測(cè)量技術(shù)，外業(yè)在地面布設(shè)像控點(diǎn)，用GNSS-RTK獲取像控點(diǎn)坐標(biāo)，無(wú)人機(jī)組裝后，同時(shí)將單鏡頭、雙鏡頭或五鏡頭相機(jī)安裝在無(wú)人機(jī)下部，通過(guò)自帶軟件進(jìn)行航線規(guī)劃，遙控起飛無(wú)人機(jī)后通過(guò)相機(jī)獲取地面影像。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)下載整理后，用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件完成內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向的空三解算等，生成DOM或三維模型，進(jìn)一步生產(chǎn)數(shù)字線劃圖的過(guò)程。

1.2 特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確率高。相比較衛(wèi)星影像和大飛機(jī)影像，無(wú)人機(jī)屬于低空攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)于大比例尺地形圖獲取具有較大的優(yōu)勢(shì)，而且結(jié)合GNSS定位技術(shù)，影像數(shù)據(jù)分辨率更高。相比較全站儀和GNSS相結(jié)合的數(shù)據(jù)獲取方法，在合理規(guī)劃航線和正確飛控的情況下，實(shí)際操作中人為影響因素更小。特別是對(duì)地形復(fù)雜地物，飛控員可以合理調(diào)整航飛高度，避免地形起伏較大造成人為操作儀器困難、儀器搬站誤差累計(jì)、GNSS信號(hào)影響帶來(lái)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率降低。綜合這些因素，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確率更高。

（2）數(shù)據(jù)獲取的效率高。相比較全站儀的測(cè)站定向和GNSS的參數(shù)轉(zhuǎn)換，無(wú)人機(jī)操作更簡(jiǎn)單，受地形和天氣狀況的影響較小，工作效率更高[1]，同樣的觀測(cè)時(shí)間，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)更多，測(cè)量的范圍更大。同時(shí)，無(wú)人機(jī)上升和降落自由，可以很好地調(diào)整拍攝死角，數(shù)字化率更高。而且無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)具有可視化的優(yōu)點(diǎn)，能將采集捕捉到的地形地貌數(shù)據(jù)迅速、準(zhǔn)確、高效地與目標(biāo)數(shù)據(jù)整合處理分析并直觀展示。

（3）經(jīng)濟(jì)效益高。從生產(chǎn)單位來(lái)講，目前無(wú)人機(jī)設(shè)備成本價(jià)格已經(jīng)逐漸降低，滿足大部分企業(yè)的經(jīng)濟(jì)核算成本，同時(shí)從準(zhǔn)確率、效率、人員的安全性講[2]，無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)較大，需要的儀器操作人員數(shù)量減少，技術(shù)人員操作設(shè)備靈活，完成測(cè)量任務(wù)高效，作業(yè)環(huán)境對(duì)測(cè)量工作的安全性和進(jìn)度影響較小，綜合經(jīng)濟(jì)效益得到了較大的提高，也成為很多企業(yè)選取的測(cè)量方法。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 工作流程

圖1 外業(yè)工作流程

圖2 內(nèi)業(yè)主要工作流程[3]

2.2 前期資料準(zhǔn)備

2.2.1 確認(rèn)項(xiàng)目要求

項(xiàng)目實(shí)施者根據(jù)甲方提供的材料，通過(guò)自己的理解和經(jīng)驗(yàn)，與項(xiàng)目的相關(guān)部門和負(fù)責(zé)人就工作內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行溝通確認(rèn)。包括項(xiàng)目范圍、成果用途、工作內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)、成果形式工藝要求、實(shí)施期限、甲方參與單位和聯(lián)系人、適用標(biāo)準(zhǔn)等。

2.2.2 搜集整理分析資料

項(xiàng)目明確后，實(shí)施方通過(guò)多種渠道收集項(xiàng)目實(shí)施所需要的各種數(shù)據(jù)和資料。首先，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、政府網(wǎng)站、地圖網(wǎng)站、行政區(qū)劃網(wǎng)站收集項(xiàng)目所在地區(qū)的基本情況。其次，向甲方收集項(xiàng)目實(shí)施所涉及的信息和數(shù)據(jù)，了解項(xiàng)目成果的應(yīng)用場(chǎng)景和相關(guān)業(yè)務(wù)流程，明確項(xiàng)目成果提交的格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、精度指標(biāo)、驗(yàn)收數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容，搜集和了解相似項(xiàng)目案例資料、相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)規(guī)定等資料。最后，對(duì)所搜集的信息和資料進(jìn)行整理分析，提出初步方案和建議。

2.2.3 編寫實(shí)施計(jì)劃書(shū)和技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)

計(jì)劃書(shū)包括項(xiàng)目簡(jiǎn)況、項(xiàng)目區(qū)域簡(jiǎn)況、項(xiàng)目承擔(dān)單位簡(jiǎn)況、組織機(jī)構(gòu)、資金情況、成果要求、技術(shù)路線、進(jìn)度計(jì)劃、成果驗(yàn)收。

技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)包括像控點(diǎn)的布設(shè)、攝影測(cè)量、空三解算、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖和數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)。像控點(diǎn)的布設(shè)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)包括：任務(wù)區(qū)基本情況、像控點(diǎn)布設(shè)原則和點(diǎn)位略圖，成果的坐標(biāo)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)，測(cè)量精度要求，測(cè)量方法，點(diǎn)之記內(nèi)容和格式。攝影測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)包括：任務(wù)區(qū)基本情況、攝影分區(qū)和分區(qū)范圍線、影像地面分辨率、航向和旁向重疊度、飛行平臺(tái)選擇、攝影系統(tǒng)選擇、飛行天氣標(biāo)準(zhǔn)、每日飛行時(shí)段、照片及曝光點(diǎn)位置文件命名方式、數(shù)據(jù)格式和提交截止、存儲(chǔ)目錄命名、飛行記錄文件、影像驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。空三解算主要考慮任務(wù)區(qū)基本情況、航測(cè)分區(qū)范圍、每個(gè)分區(qū)的航線數(shù)量和照片數(shù)量、外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)方法和點(diǎn)位略圖、采用的空三計(jì)算軟件、成果的坐標(biāo)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)、提交的數(shù)據(jù)格式等。數(shù)字正射影像生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的主要內(nèi)容包括：任務(wù)區(qū)基本情況、航測(cè)分區(qū)范圍指標(biāo)、成果的坐標(biāo)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)、影像圖分幅范圍和尺寸、提交成果的數(shù)據(jù)格式等。數(shù)字線劃圖生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的主要內(nèi)容包括：任務(wù)區(qū)基本情況、模型精度指標(biāo)、需要采集的核心要素內(nèi)容和方法、成果的坐標(biāo)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)、分幅范圍和尺寸、提交成果的數(shù)據(jù)格式。

2.3 外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量

外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量作業(yè)單位應(yīng)按照外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的要求組織、布設(shè)和施測(cè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)測(cè)量主要是為了提高空中三角測(cè)量的精度，得到地面點(diǎn)在空間坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置坐標(biāo)，通常情況下，一般采用GNSS-RTK方法或者CORS網(wǎng)絡(luò)RTK施測(cè)。像控點(diǎn)一般要覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，周圍視野開(kāi)闊，沒(méi)有遮擋和干擾地物，位置一般多選擇在周圍高差變化不大并且容易從周圍地物很快找到，和周圍地物色差較大，容易識(shí)別[4]。在城市中多選擇在道路線標(biāo)識(shí)上，標(biāo)識(shí)同周圍地面處于同一高度，標(biāo)識(shí)是白色，周圍地面是柏油黑色，黑白能明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，這樣的位置最佳。見(jiàn)圖3。

圖3 像控點(diǎn)位置圖

在不具備上述條件的情況下，像控點(diǎn)可以做在房頂?shù)姆块苌希蠓宽數(shù)念伾c墻面能明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，比如房頂是藍(lán)色琉璃瓦，墻面是水泥灰，這樣的像控點(diǎn)位也比較好。但如果房頂是水泥灰，墻面也是水泥灰，則這樣的不佳點(diǎn)位不得已時(shí)才用。像控點(diǎn)位要做在周圍沒(méi)有高大地表物遮擋的地方，每個(gè)地方最好能做雙點(diǎn)即兩個(gè)點(diǎn)位，以便備用。對(duì)容易引起誤判的地方，最好能用附加文字描述，也可以用多個(gè)角度的照片來(lái)代替，除了從南往北拍，也可以附加從東往西，從北往南，從西往東等多角度拍攝。

2.4 無(wú)人機(jī)航飛獲取影像

無(wú)人機(jī)外業(yè)飛行之前先要進(jìn)行航線規(guī)劃，飛行技術(shù)員在前面外業(yè)勘察基礎(chǔ)上，對(duì)所測(cè)區(qū)域進(jìn)行合理規(guī)劃劃分，設(shè)計(jì)合理的航線圖。針對(duì)不同的測(cè)區(qū)、測(cè)區(qū)不同的高度，都需要布設(shè)不同的航線。技術(shù)人員通過(guò)無(wú)人機(jī)地面站軟件將實(shí)際飛行的范圍導(dǎo)入，設(shè)置好航線參數(shù)，包括飛行高度、航向和航向數(shù)量，自動(dòng)生成航線。飛行前操控手對(duì)飛行平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)達(dá)到飛行條件后，根據(jù)地面控制站指令啟動(dòng)無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)升空后根據(jù)規(guī)劃好的航線飛行，到達(dá)指定位置后執(zhí)行航拍任務(wù)。在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，工作狀態(tài)、電池電量、航攝相機(jī)、飛行航線、記載RTK固定解狀態(tài)等情況被地面控制站實(shí)時(shí)監(jiān)控，飛行結(jié)束后，操控手控制無(wú)人機(jī)安全降落，飛機(jī)在拍攝時(shí)的空間位置、姿態(tài)信息即POS數(shù)據(jù)和影像采集數(shù)據(jù)通過(guò)地面站軟件下載，航拍影像的清晰度、飽和度、亮度等工作需要通過(guò)檢查后才能進(jìn)行下一步使用。

2.5 空中三角測(cè)量計(jì)算

攝影測(cè)量中一張像片需要在4個(gè)地面控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間后方交會(huì)，解求像片的外方位元素，一個(gè)立體像對(duì)模型的絕對(duì)定向，也需要4個(gè)地面控制點(diǎn)，求出7個(gè)絕對(duì)定向元素，才能把經(jīng)過(guò)相對(duì)定向建立的任意模型納入到地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系中。在像片糾正制作正射影像圖中，每張糾正的像片也需要地面控制點(diǎn)。所需要的這些大量控制點(diǎn)若全部由外業(yè)測(cè)定，外業(yè)工作量將會(huì)很大。攝影測(cè)量任務(wù)就是要最大限度地減少外業(yè)工作，因此提出空中三角測(cè)量。在外業(yè)飛行的區(qū)域范圍內(nèi)，通過(guò)實(shí)測(cè)幾個(gè)少量的控制點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型，平差解算出攝影測(cè)量作業(yè)過(guò)程中所需要的全部控制點(diǎn)及每張像片的外方位元素。在開(kāi)展工作之前，做好現(xiàn)場(chǎng)勘察，完成相控布設(shè)和目標(biāo)點(diǎn)采集，設(shè)計(jì)好飛行航線，為完成空中三角測(cè)量打好基礎(chǔ)。同時(shí)要合理使用空三加密技術(shù)，通過(guò)增加空三加密距離，能實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊地形的有效處理。對(duì)平坦地區(qū)要及時(shí)進(jìn)行空三加密多次平差，以達(dá)到規(guī)范精度要求。軟件操作過(guò)程需要導(dǎo)入影像文件、POS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)文件、相機(jī)參數(shù)進(jìn)行內(nèi)定向和相對(duì)定向，通過(guò)刺點(diǎn)、設(shè)權(quán)平差、刪爭(zhēng)議點(diǎn)反復(fù)操作直到最后控制點(diǎn)精度滿足要求，完成空中三角測(cè)量計(jì)算平差。

2.6 生成數(shù)字正射影像圖DOM

數(shù)字高程模型是數(shù)字地面模型的分支，主要是用來(lái)表示地面高程的。空三完成后，可以應(yīng)用專業(yè)軟件生成數(shù)字高程模型DEM，在數(shù)字高程模型DEM的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步生成數(shù)字正射影像圖DOM。影像鑲嵌拼接數(shù)字正射影像圖實(shí)際是在數(shù)字高程模型（DEM）的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)字微分糾正技術(shù)[5]，改正原始影像的幾何變形，得到一幅標(biāo)準(zhǔn)圖幅DOM。因?yàn)槭嵌鄠€(gè)像對(duì)的正射影像拼接鑲嵌，所以鑲嵌工藝決定了DOM的質(zhì)量。生成的DOM拼接后也為下一步生成數(shù)字線劃圖工作打好基礎(chǔ)。

2.7 生成數(shù)字線劃圖DLG

在前面數(shù)字正射影像圖DOM基礎(chǔ)上，繪圖人員需要不斷實(shí)踐操作，提高地物判讀熟練程度，才能準(zhǔn)確繪制數(shù)字線劃圖。可以在南方CASS基礎(chǔ)上加載影像，用右側(cè)屏幕菜單完成地物繪制，導(dǎo)入高程點(diǎn)，完成等高線繪制。等高線的生成需要先用ArcGIS軟件對(duì)DSM去樓去高后得到DEM，生成初步等高線，最后對(duì)初步的等高線進(jìn)行平滑、編輯、整理，最后得到符合規(guī)范的等高線。也可以應(yīng)用清華三維EPS、航天軟景MapMatrix等軟件完成數(shù)字線劃圖DLG的繪制。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量工作在實(shí)際工作中能提高地形圖測(cè)繪的效率，但操作過(guò)程不同于全站儀和GNSS，需要技術(shù)工作者在理解基本原理基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)無(wú)人機(jī)基本操作，合理布設(shè)像控點(diǎn)，規(guī)劃航線，獲取高質(zhì)量影像，內(nèi)業(yè)人員和外業(yè)人員協(xié)調(diào)，對(duì)外業(yè)成果空三加密，內(nèi)業(yè)繪圖人員利用積累的經(jīng)驗(yàn)，合理判讀影像，精準(zhǔn)完成地形圖的繪制。隨著無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的廣泛使用和不斷發(fā)展，內(nèi)業(yè)繪軟件將會(huì)逐漸降低難度，促使數(shù)字地形圖的測(cè)繪工作效率更高。■