基于無人機的大比例尺測圖技術研究

李顯軍

(陽春市自然資源測繪中心 廣東陽春 529699)

作為一種新興載體，無人機在傳統農林作業、工業調查和土地資源調查、智慧城市、數字考古、應急救援和救災、3D現實、城市規劃、新農村建設、物流配送、地理和國情監測等應用領域保持了強勁增長[1]。無人機低空遙感數字航空攝影測量系統已成為獲取地形測量數字成果的重要手段之一。無人機靈活、高效、快速,它不需要在特殊機場起降，還可以手動起飛、彈射器、降落傘、滑翔和垂直起降。基于無人機系統，它避免了飛行員的人身安全風險，因此，在小區域和人工操作困難的區域快速獲取高分辨率圖像具有明顯優勢。隨著無人機硬件技術和高精度GNSS定位技術的發展，將高精度GNS 定位模塊應用于無人機，結合GNSS 輔助空中三角測量技術，不僅可以有效減少圖像控制點的數量，甚至避免圖像控制，還可以大大提高無人機航測的精度。經研究表明：Topcon Sirius Pro 航空測繪系統提供了一種集成解決方案，可以在沒有地面控制點的情況下自動生成DSM，并且當圖像的地面分辨率優于5 cm時，可以滿足1∶500測繪規范的精度要求[2]。

本文以某地區1∶500 測繪任務為基礎，根據工作環境和設備條件，設計了消費級四旋翼無人機的航空攝影測量方案，并設置了足夠的控制點，以提高絕對定向精度，保證數字產品精度的可靠性，并對關鍵測繪環節進行精度分析，驗證測繪方案的有效性和實用性。

1 項目概況

本項目研究區位于廣州市的一個區，面積約為0.86 km2。在研究區內，北部有工業企業，中部有林地，西南部有工業企業，東南部有機車停機坪。環境復雜，具有許多典型和代表性地物特征。該項目要求將該地區的平面坐標標記為廣州城市坐標系，指定為1985年的國家高度標準，用于1∶500比例的地圖繪制[3]。

本項目在消費級多旋翼無人機上配備了自主云平臺和攝像頭，確保了穩定的空中拍攝。DJI Inspire2 無人機配備Zenith X5S PTZ 攝像頭和松下Lumix 15mm/1.7鏡頭。相機的視角為72°，相當于35 mm相機的標準焦距，像素數為5280×3956，像素大小為3.27897 μm。

2 項目實施

根據消費級多旋翼無人機的航空攝影特點、項目區域現狀、現有信息和任務要求，設計了項目實施流程，項目生產和實施可分為3個部分，如圖1所示。

圖1 項目實施方案流程

2.1 項目規劃

2007 年，測量區域有一張1∶500 的DLG 圖。平面坐標系為廣州市坐標系，高程系統為1985年國家高程標準。然而，由于研究區域的地形變化很大，現有數字電路只能發揮較小的作用。該項目區域位于廣州連續運行參考站（CORS）網絡覆蓋區域內，定位精度超過1 cm。在測量區域的東北角，有一個保存完好的二級參考，可用于校準和控制測量[4]。

根據本次采用的消費級四旋翼無人機GNSS 定位信息精度差、采集影像像幅小、測區情況復雜等因素，為保證測圖精度計劃在測區布設控制點132個，如圖2所示，后期可用作像控點、檢查點和質檢點。為易于分辨和識別，地面控制點標志采用黑白兩種顏色進行標識可形成良好的色彩反差，地面控制點標志和設計布控位置如圖2所示。

圖2 地面控制點位置分布設計

研究區域的地理位置在西南、東南、東北部較低，在西北角緩慢增加。該區域最低點與最高點的差距不超過20 m。在這個區域的中部，東西方的標志表示那個區域的中部。測量區域在飛行高度范圍內，最大飛行高度不得超過120 m。為確保安全，滿足項目需要，項目規定測量區域中部東西向道路作為起飛和降落點使用，飛行高度100 m。飛機的最大飛行速度提高了位置穩定性。根據假定的高度計算得到的圖像是否滿足圖形要求，取決于高度和地面分辨率。

式（1）中：H為攝影行高，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；GSD為地面分辨率，單位為m；a為像元尺寸，單位為mm。

根據項目相機參數、航高和公式（1），并在已有地形圖上得出預計起降場地在整個測區中高程處于中間位置，故可以得出測區內地面分辨率在0.02～0.028 m之間，小于0.05 m，滿足《基礎地理信息數字成果1∶500 1∶1000 1∶2000 數字正射影像圖》（CHT 9008.3-2010）的要求。設計飛行航高為100 m，不僅可以提供高分辨率影像從而提高內業成圖時平面位置精度，而且滿足測區限航高度的要求保證飛行的安全。預設航向重疊 75%、旁向重疊65%。

2.2 數據獲取

根據為項目設計的地面檢查點分布和現場實際情況，共建立了108個檢查點。廣州CORS系統用于實時動態（RTK）測量。用于RTK測量的接收機具有±（10+1×10-6）mm 的水平精度和±（10+1×10-6）mm 的高精度。測量由控制點進行，對各點進行3次測量，然后取平均值。地圖坐標系是廣州市的坐標系。高度由異常高度值校正，以獲得低于1985 年國家高度的日期高度。有關地面控制點的實際布局如圖3所示。

圖3 地面控制點位置分布

航攝時天氣晴朗，西南風1～3級，在地面控制點標航空攝影期間，天氣晴朗，西南風1～3級。插入現場控制點面板后，檢查無人機和攝像機的狀態，根據規劃路線將無人機從東西調查區中心提升，收集圖像數據。在成像過程中，技術人員通過地面站實時監測無人機運行狀態，密切監測無人機狀態、風速、高度和速度指示器。如果發現有任何異常，必須立即判斷并處理。拍攝中的實際飛行時間為4TRI，從11∶30～13∶45。同時，由于陰影區域小，但光線強，為了控制入射光量，避免過度曝光，必須在正式收集前調整適當的光圈。獲得了1 546張地面分辨率大于0.03 m的原始照片。

現場對飛行數據進行排序，檢查飛行路徑與參數是否一致，是否缺少節拍。檢查圖像質量是否模糊或曝光過度。如果質量沒有問題，就執行空拍任務。

2.3 數據生產

在生成數據之前，檢查原始圖像的質量，并組織定位定姿系統（Positioning and Orientation System，POS）數據和檢查點數據。導出后，軟件可將POS 數據的平面坐標轉換為項目所需坐標系測量區域的7個參數。驗證了POS數據中的總高度偏差，特別是高度偏差過大，可以根據起降地點的實際高度和導航高度進行校正[5]。在空中三角測量過程中，通過調整和優化控制點設置，最終從108 個實際測得的點中選取38 個點作為照片控制點，15 個點作為控制點。照片檢查站、調查區域、照片檢查站、檢查站分布如圖4所示。黑線框是元素的測量區域，點表示照片控制點，三角形表示照片控制點，正方形表示控制點。

圖4 航帶分布和像控點、檢查點分布

為了提高內業成圖的精度，本項目生成平均地面采樣間隔為2.17 cm 的數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）和數字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM），具體如圖5所示。

圖5 DSM和DOM

項目數字線劃圖利用EPS地理信息工作站進行生產，平面點位通過導入DOM 進行采集繪制，高程通過生成的點云進行手工提取高程點，數字線劃圖成果如圖6 所示。項目生產中，利用采集的影像生成測區的三維模型，輔助數字線劃圖的生產[6]，減少野外調繪的工作量。

圖6 數字線劃圖

3 項目精度驗證分析

空三區域網平差精度評定要求和結果如圖7 所示，數字線劃圖的精度評定要求和結果如圖8 所示。對質量檢核點平面點位置和高程誤差繪制誤差分布如圖9所示。

圖7 空三區域網平差精度評定要求和結果

圖8 數字線劃圖精度評定要求和結果

圖9 質量檢核點誤差分布

4 結語

本文從應用實踐出發，基于消費級四旋翼無人機進行1∶500 大比例尺測圖任務，制訂項目實施方案，進行精度分析，成果滿足大比例尺地形圖測繪的精度要求，可提供快速完成測繪任務的解決方案，具有較低的勞動強度和較小的經費開支，該方案是一種行之有效具有實際應用價值。