基于無人機攝影測量的大比例尺測圖技術研究

劉柱

關鍵詞： 無人機 攝影測量 精度 大比例尺測圖

中圖分類號： P231 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0040-04

隨著城市化的進展，大規模地形圖越來越成為構建智能城市基本地理信息的重要基礎。無論是城市規劃、自然資源動態實時監測，還是應對地震、山體滑坡等重大自然災害，都需要準確、及時的地理信息的支持。各級政府需要在土地測繪、基本制圖數據、環境監測、城市規劃、新農村發展、資源監測、農林分析等領域提供大規模、快速、準確的地理空間數據。緊急情況和救災工作日益緊迫，有效獲取大規模地形數據、快速繪制地圖已成為地理制圖信息研究的重要領域[1]。大地測量和制圖工作效率的顯著提高、大地測量和制圖更新周期的縮短、空間地理信息的快速準確捕捉成為大地測量和制圖工作面臨的新挑戰。

與以往的航空攝影系統相比，無人航空攝影測量系統具有諸多優勢，具體見圖1。正是這些優點使無人航空攝影測量成為傳統航空攝影測量方法的重要補充。該方法在制圖、地理信息等領域越來越受到重視，廣泛應用于天氣預報、土地與環境研究、海洋信息開發與動態管理、自然災害預測、災害監測與評價、國家海洋權益保護、農業監測與節能、水資源研究等領域。

1 無人機影像獲取流程和技術路線

本文采用南方測繪“天行”八旋翼無人機搭載Sony RX1RM2 數碼相機，在北京市某鎮進行了生產作業，獲取無人機低空航攝遙感影像并完成1∶500 大比例尺地形圖的成圖[2]。此次作業選用的數據處理軟件是Smart 3D 三維實景建模軟件和清華山維EPS 裸眼3D 測圖軟件。無人機影像獲取流程如圖2 所示。

1.1 測區概況

測區位于北京市某鎮。該區域屬暖溫帶半濕潤半干燥季風氣候，夏季氣溫高、雨量多，冬季寒冷干燥，且春秋短。全年無霜期達180～200 d。任務是對該地區約3 km2的旅游發展項目進行初步研究。

在開始之前，必須收集測量區域的現有數據。該區域的現有數據包括相關部門的3 個控制點，可以作為圖像控制點配置的起點。此次作業的控制點坐標系采用1980 年西安坐標系和1985 國家高程基準。事先與甲方溝通，指明測量區域邊界，溝通測繪區域難點、最大高差等相關信息[3]。

1.2 航線設計

航線設計允許無人機根據給定軌跡執行飛行操作，從而確保所有飛行參數對應于相關軌跡。路線規劃的有用性取決于最終的結果，設計必須符合相關的規范，并進行測試以確保飛行過程的安全性和飛行數據的可靠性。航線計劃見圖3。

1.3 外業像控點測量

為確保測量操作的準確性，現場影像檢查點的布置嚴格遵循野外影像控制點設置的原則。共設置了76 個影像像控點。用于測量的坐標系為1980 年西安坐標系，1985 國家高程基準，114°中央子午線。結合GPS-RTK 和CORS 數據，以3 個已知控制點作為平滑采集的起點，計算結果的平面和高程精準符合標準要求[4]。

2 內業數據處理

從兩個測繪區域獲取圖像后，使用Smart 3D 軟件進行內部數據處理。該軟件是一個自動航空圖像處理軟件，結合了數據導入、空間加密和三維建模。該程序高度自動化，可為EPS 裸眼3D 軟件生成OSGB 格式的數據[5]。該程序生成高精度、結果良好的三維模型，進行滿足模型要求的大規模繪制。Smart 3D 軟件中的數據處理步驟見圖4。

2.1 航測原始數據的導入

首先將本次航測獲取到的記錄飛行姿態的POS 數據、影像數據和像控點數據在數據導入界面導入到Smart 3D 中，完成航測數據的錄入工作。

2.2 空中三角測量

設置好像片的相關屬性后，選擇提交空中三角測量，可以設置空三的名稱，定位、參考方式以及其他設置等。如果對一次空三加密的計算結果不滿意，Smart3D 可以進行多次提交空三加密，直到符合精度要求[6]。此次試驗共進行了2 次空三加密。

2.3 構建三維模型

空三加密完成后，開始創建三維模型。Smart 3D模型的構建非常自動化，要求創建OSGB 格式的瓦片模型。為了加快模型生成的速度和精度，需要在整個研究領域中創建空間框架，并選擇生成的模型范圍。根據計算機的性能和測區的實際狀態，整個區域被分割成49 個瓦片。

該項目隨后提交生產，Smart 3D 可以創建三維網格、三維點云、正射影像和DSM。可以根據不同生產項目的需要生成不同類型的數據。

2.4 數據成果

經過上述步驟，就完成了內業處理的整個步驟，再經過對后續成果整理和修飾，就可得到測區的數字三維模型，見圖5。

3 精度分析

精度分析主要采用GNSS-RTK 系統對測量范圍內可視位置的平面坐標和高度進行測量，然后選擇DLG上的坐標和高度。使用均方誤差公式計算平面精度和高程精度。檢查點主要選擇影像容易識別的可視點，如斑馬線、路標垂直轉彎、平房拐點、水泥路交叉口等。

3.1 平面精度分析

利用GNSS-RTK系統對測區內20個明顯的地物點實測其平面坐標和高程，然后在數字線劃圖上選取該點的圖上坐標和高程，最后利用中誤差計算公式計算其平面精度和高程精度，得到測區檢查點的平面精度統計結果：X 方向中誤差為0.066 m，最大誤差為-0.109 m；Y 方向中誤差為0.089 m，最大誤差為0.155 m；平面坐標中誤差為0.111 m，最大誤差為0.199 m，均滿足規范要求。具體如表1所示。

3.2 高程精度分析

同樣可以算出測區的高程誤差和精度，如表2 所示。從表2 可得：測區的高程中誤差為0.275 m；最大誤差為0.439 m；該測區地形起伏不大，大多屬于平地和丘陵地，滿足1∶500 地形圖對高程精度要求。

4 結語

系統闡述了無人機攝影測量系統在大比例成圖中的完整流程，通過實例精度分析，可以得到結論：在控制好成圖過程誤差傳播，嚴格按照規范要求獲取影像數據，數據處理過程嚴格把關，無人機航測大比例尺地形圖可達到1∶500 比例尺的成圖精度，尤其是在平原地區平面精度和高程精度都很高，可以在該地區應用于生產實踐。