無人機低空攝影測量系統在大比例尺地形圖中的應用

周 斌

（河南省有色金屬地質礦產局第七地質大隊，河南 鄭州 450000）

1 無人機低空攝影測量的發展狀況

無人機攝影作為近幾年行業發展的一個重要熱點，隨著攝影技術，硬件的不斷升級，云臺技術的不斷突破，在這些技術的推動下，我們可以很容易的短時間內獲得高精度、高分率的地形照片，在配合業界已經向成熟的高精度定位北斗、GPS等的通信手段，將測量技術與遙感技術的融合，讓無人機的低空攝影測量系統成為大比例尺下的地形圖的繪制，有著無法比擬的優勢。但是，雖然在理論上已經有著高度的共識，但是在技術飛速發展的今天，任何我們看到的技術前景，都可能已經有人在做更新的技術嘗試，這些技術在幾十個國家的上百個項目中可以衍生的方向和新技術又可以說是層出不清的[1]。舉例來說，在北京舉行的2019瑞士創新周上，記者對話Fixposition公司創始人兼CEO蘇振中，在其公司的無人機在測繪行業實現的重大突破就是讓無人機和其他運載工具實現了厘米級的精確定位，在與RTK技術的深入融合中，他們找到了更深入 的研究領域和方向，同樣大疆創新也是作為一家在無人機飛行，動態捕捉、云臺技術和設備良好可靠性而從一家初創公司躋身世界無人機巨頭行列[2]。現在甚至可以說，任何國家或行業能夠掌握無人機技術和相關導航、通信、測繪行業融合的一家企業，都是能夠快速引領行業變潮，所以，掌握能夠掌握無人機在低空領域的攝影測量技術，對于提升我國在無人機市場上的技術競爭力有著非常重要的意義。同樣拓寬無人機及測繪信息技術的行業應用，在城鄉發展規劃、森林防火減災、海洋生態保護、鐵路、公路規劃等的方面也都將有著極大地現實意義和經濟價值。

2 大比例尺地形圖繪制的價值

通常的，我們稱比例尺在1:500～1:10萬地形圖為大比例尺地形圖，大比例尺地形圖作為建設規劃、管理設計的重要基礎性資料，在城市、國土資源、規劃與管理及工廠、礦山設計與施工；礦山的儲量計算等方面起著十分重要的作用。

當然，隨著近年來大中城市對大比例尺地形圖數據庫的逐步建設并基本完成，大比例尺地形圖數據的及時性問題逐步顯現，在數據的的持續更新和不斷改善上用戶也提出了更高的要求，所以，這些測繪數據在不斷發揮作用的同時，也是在不斷被淘汰和拋棄的，尤其隨著現在國家城鎮化進程的快速推進，很多大中城市都對大比例尺地形圖的更新要求由原來的三年五年，變成一年兩年，甚至更短的時間，這樣，也就對我們測繪人員的工作量和工作效率甚至是工作方法提出了新的要求[3]。

所以，現在大比例尺地形圖的發展已經從模擬化向數字化轉變后，再次從數字化向數據化動態更新方向發展的趨勢下，如何更好地應用新技術和新方法來解決遇到的瓶頸，無人機的出現，在一定程度上讓大比例尺地形圖的繪制有了新的思路和方法，同時，由于更先進的工藝和制程，我們甚至可以使用規模化的云服務器將無人機采集到的信息數據進行同步實時處理，直接的得到大比例尺地形圖。當然這也是無人機低空測量系統未來的一個極大優勢。

3 無人機航空攝影測量的優勢分析

（1）成本投入低，作為可不斷重復利用的設備，無人機的成本投入相較于人員增加或大型設備的投入，都是性價比很高的投入。在無人機上掛載相應的云臺和高清攝像機，就可以由經過培訓持證的專業人員進行操作，攝像機將采集到的數據傳輸給主機，進行三維信息加工和處理從而得到需要的比例尺地形圖。

（2）無人機的個頭小巧，決定了其能有更好的機動性能，就目前的程序而言，能夠很容易的做到自動巡航的功能，不需人為來操控，在檢測到電量低于一定值之后，可以自動返航，回落到設定坐標點，除更換電池外，整機的免維護性很高。

圖1 大疆“悟Inspire 2”基于前視和下視的雙目立體視覺系統

（3）無人機能夠獲取更多及時有效的信息，作為低空攝影的設備，相比較更高階衛星地圖而言，一是在相同比例尺下，得到的有效信息更多，在低空和高清攝像機的加持下，能夠對大比例尺下的地形圖更好的描述，而衛星地圖在高成本和更新效率較慢的同時，在大比例尺地形圖的使用上，與無人機相比能夠讀取的數據信息相對更少，不能夠很好的滿足用戶的需求。

（4）環境適應性好，只要能夠滿足無人機的正常起飛和降落及必要的通訊要求，不管在山區還是荒漠地帶，都能夠進行正常的數據采集，同時在城市高樓林立的地區，只要找到一個相對高點，在無人機覆蓋范圍內的公里內，測繪人員都能夠哼好的采集到規劃路線的地理信息數據。

（5）安全性能好，測繪人員可根據具體環境選擇相對安全的位置和區域對無人機的釋放和數據采集進行控制，一方面保證了設備的運行安全，另一方面，在特殊地形和危險區域避免人的直接接觸，極大地提高了測繪的啊安全性。

4 無人機攝影大比例地形圖測繪的問題討論

（1）無人機測量精度問題。由于在大起伏地形中的落差變化較大，在無人機進行遙測時沒有布置好適合的像控點，導致發生翹曲，平查數據精度不夠，所以在復雜地形無人機測繪時，首先要選好適合的像控點，在滿足無人機測量要求下，選取的像控點至少5個以上，當然如果無人機掛載像UCX類數字攝像機，能夠自動進行空三加密，計算平差，依據相應規范最后加密，能得到適合精度要求的比例圖，那么像控點的選擇就不必太苛刻了。

（2）成像質量問題。相機成像的質量有多個因素決定，在大比例尺測繪中，高差比較大的影像獲取往往會出想成像質量較差的問題，尤其是像樹木、植被覆蓋較密集的區域，植被紋理比較粗糙，涂抹感較強。出現這種問題的原因，首先是設備本身硬件素質有差距，這個是可以通過升級硬件來進行不斷提高的。

同時，由于不同的環境條件下，相機的獲取的感條件不同，在具體到圖像上可能會出現較明或較暗的問題，這樣的圖像一般不能作為信息收錄參考，所以才天氣狀況不好的條件下，可以通過調節曝光時間、感光度的手段來提高樣張水平。像素主要相機本身決定，曝光時間的選取和天氣有著密切的關系，當光線條件不好的時候，應該盡量增加曝光時間。

（3）圖片重疊率問題。無人機攝影時，為提高成像質量，往往也會采用提高重疊率的方法來解決遇到的成像分辨率低等的問題。重疊率的提高會影響拍照的效率和有限空間存儲信息量的降低，但是重疊率還有一個更重要的影響就是照片連接問題，在光線、環境都比較理想的環境中，我們往往也要保持一定的照片的重疊率，這樣的話，可以保持拍攝出來的照片在連接時有足夠的連接點，獲取足夠的信息。

重疊率若比較低，地物點在航拍的圖片中少量出出現，在連接照片時可能會因為提取連接點少，造成連接點平差結構不夠理想，所以保留相對比例的重疊率對大比例地圖的整體成像是十分有必要的，也能夠避免上述問題的發生。

（4）無人機飛行高度問題。任何的相機都是有有效攝影距離的，在無人機攝影時，在不同地貌，甚至是城市環境中有時可能需要航測飛行的高度較大，但是較大高度下，采集到的圖像可能會相對模糊，不能夠很好的滿足需求。

我們知道無人機的飛行高度影響相機的GSD(地面樣本距離類似分辨率)，每個像素點所能代表的真是尺寸，以大疆無人機，大疆精靈Phantom 4 RTK為例，考慮地形的起伏，根據公式H=36*GSD可以大致確定合適的飛行高度，建議設置的飛行高度不大于計算出的H，（其中GSD單位為厘米，H單位為米）。其無人機的GSD為2.74cm，對應飛行高度約100m，在100m以內的高度飛行采集到的像素信息我們認為都是可取的。一般的，通常飛機離地距離越近，GSD的數值越小，所成像的精度也越高。同時也注意到，在地勢變化比較大的區域，要選擇好合適的無人機飛行高度，對采集適合分辨率的圖像也是有很好幫助的。

表1 飛行高度與GSD關系

無人機的使用對低空航測無疑是有巨大幫助的，但是，想要獲得較為合適的繪制結果，我們在精度控制、相控點布設、成像質量、重疊率、飛行高度等方面還是需要嚴格注意，當然還要參考天氣和具體環境條件，這樣才能更好地使用不人機工具帶來的效率和工作質量的提升。