無人機(jī)航攝大比例尺地形圖測圖技術(shù)探討

熊國文

摘? ?要：隨著低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)的發(fā)展和完善，大量試驗(yàn)己經(jīng)表明無人機(jī)測繪地形圖的精度可以滿足1∶1000地形圖的要求，本文結(jié)合江西某村的測量項(xiàng)目，詳細(xì)探討了無人機(jī)大比例尺地形圖的測量流程，包括航空攝影、像片控制、影像預(yù)處理、空中三角測量、DEM/DOM制作、地形圖制作及無人機(jī)航攝影像成圖精度分析等。相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 大比例尺? 地形圖? 測量技術(shù)? DEM

中圖分類號：P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0021-02

無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)，以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，可快速獲取真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢性強(qiáng)的航測遙感數(shù)據(jù)。下面以江西某測區(qū)為例，具體說明無人機(jī)航測繪制1∶1000地形圖的過程。項(xiàng)目采用“1980西安坐標(biāo)系”和“1985國家高程基準(zhǔn)”。測區(qū)作業(yè)工序?yàn)闊o人機(jī)航攝、地形測量（包括四等控制測量、I級控制測量、像控測量、圖根測量、野外補(bǔ)測、外業(yè)調(diào)繪）、空三加密、地形圖制作（包括立體采集、數(shù)據(jù)編輯工序（1∶1000比例尺一套））、DOM制作、DEM制作、質(zhì)檢驗(yàn)收等工序。

1? 前期準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備參數(shù)

選用北京朗天博泰科技有限公司生產(chǎn)的 LT-150無人機(jī)，其采用雙頻 GPS，載荷6kg，續(xù)航時(shí)間12h。搭載的數(shù)碼相機(jī)為佳能5DMark2，2110萬像素，分辨率為5616×3744像素，相機(jī)鏡頭焦距為25mm，影像地面分辨率為8cm，像幅為5617×3742pix，像元大小為6.42μ。相機(jī)自重約810g，配合云臺(tái)搭載在T-150無人機(jī)上采集影像。地面站軟件支持大區(qū)域總體航測航線自動(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)切割分區(qū);支持飛行過程中隨時(shí)進(jìn)行航線調(diào)整與飛行任務(wù)改變;支持按精度要求和測區(qū)邊界多邊形自動(dòng)生成航線。

1.2 無人機(jī)飛行設(shè)置

為保證本次無人機(jī)航拍質(zhì)量，飛行前對無人機(jī)系統(tǒng)各種軟硬件進(jìn)行必要的檢查，保證無人機(jī)系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。選擇晴朗無云天氣，且風(fēng)力較小的時(shí)段進(jìn)行外業(yè)航拍作業(yè)。事先通過飛控軟件選好航拍區(qū)域，設(shè)好像片地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等參數(shù)，飛控軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算飛行航線，設(shè)置飛行高度約為250m。

航飛后及時(shí)對質(zhì)量進(jìn)行檢查，立體像對的航向重疊度不得小于60%，相鄰航線的旁向重疊度不得小于30%;相鄰像片航高差不得大于20m，同一航線內(nèi)航高差不得大于30m;航攝漏洞檢查是檢查全測區(qū)是否完全被立體像對所覆蓋;影像應(yīng)清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和，可辨認(rèn)細(xì)小地物。

1.3 外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)

外業(yè)像控主要包括兩項(xiàng)：（1）通過地面布設(shè)像控點(diǎn)，將影像坐標(biāo)系統(tǒng)和測圖坐標(biāo)系統(tǒng)聯(lián)系起來。像控點(diǎn)的布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，選刺執(zhí)行《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范（CH/Z3004-2010）》航向方向按照4～6條基線，旁向方向按照每隔1～2條基線進(jìn)行布設(shè)，能有效控制住成圖范圍;像控點(diǎn)的測量執(zhí)行《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范（CH/T2009-2010）》，采用RTK方式雙參考站快速靜態(tài)測量，本次在航拍區(qū)域均勻布設(shè)4組共12個(gè)平高點(diǎn)，所有像控點(diǎn)均采取噴漆方法在地面明顯地方噴0.8m×0.8m紅十字標(biāo)志，每個(gè)像控點(diǎn)的重疊像片數(shù)量均不少于6張。

（2）像控點(diǎn)平面及高程成果采用GPS RTK方法進(jìn)行測量，測量前在附近已知控制點(diǎn)上進(jìn)行校正，采用控制點(diǎn)測量模式進(jìn)行測量，測量次數(shù)均為3次，采取3次平均值作為像控點(diǎn)最終坐標(biāo)成果。

2? 像片控制

2.1 影像資料分析

全攝區(qū)無航攝漏洞，航向超出攝區(qū)范圍3～6條基線。像片傾斜角<4°，旋偏角<8°，航線彎曲度<3%。無人機(jī)航攝系統(tǒng)的飛行質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同實(shí)際航線偏離設(shè)計(jì)航線不大于像片上10cm。像片位移誤差小于30m。航攝影像清晰、無云影等遮擋，色彩均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)及刺點(diǎn)

2.2.1 像控點(diǎn)布設(shè)

（1）像控點(diǎn)布設(shè)：像控點(diǎn)在航線方向上按10～15條基線布設(shè)，在旁向上按2～4條基線布設(shè)。布設(shè)的像控點(diǎn)能夠有效控制住成圖范圍，保證測段銜接區(qū)域內(nèi)沒有漏洞。像控點(diǎn)刺在航向及旁向重疊有5～6張像片的區(qū)域內(nèi)。

（2）像控點(diǎn)編號原則：測段像控點(diǎn)編號原則“GP+航片號四位+點(diǎn)序號”。

（3）像控點(diǎn)布設(shè)完成后繪制布點(diǎn)示意圖供內(nèi)業(yè)加密和存檔。滿足空三加密及數(shù)字化采集要求。

2.2.2 像控點(diǎn)的刺點(diǎn)及整飾情況

刺點(diǎn)誤差和刺孔的直經(jīng)均小于像片上0.1mm，且刺透，無雙孔。點(diǎn)位說明確切，略圖完整明了，刺孔、略圖、說明與實(shí)地柱位一致。

（1）在像片正面上用紅色直經(jīng)為7mm的圓形整飾像控點(diǎn)，并注記點(diǎn)號。

（2）在像片的背面用鉛筆繪制點(diǎn)位略圖和標(biāo)注文字說明等。

2.3 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)坐標(biāo)使用全站儀、RTK等常規(guī)儀器進(jìn)行測繪。像控點(diǎn)的精度和施測要求參照常規(guī)航測外業(yè)規(guī)范執(zhí)行。木次像控點(diǎn)測量采用雙頻GPS接收機(jī)，已知控制點(diǎn)為加密的一級GPS控制點(diǎn)。為保證像控點(diǎn)測量成果的可靠性，在全部像控點(diǎn)測量完畢后再收參考站。施測現(xiàn)場對點(diǎn)位進(jìn)行拍照并制作成點(diǎn)位信息表供內(nèi)業(yè)加密使用。

3? 空中三角測量

3.1 空三加密

空三加密采用德國 INPHO 公司生產(chǎn)的INPHO全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，由攝影測量學(xué)家阿克曼教授主導(dǎo)研制，該軟件具有獨(dú)特的高精度、高效率、高智能化特點(diǎn)，在數(shù)字航空影像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠同時(shí)兼顧內(nèi)業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量?？杖用馨ㄏ顸c(diǎn)連接、像控點(diǎn)量測、平差計(jì)算等過程。

具體流程如下：（1）先檢查外業(yè)控制點(diǎn)文件和相機(jī)文件輸入正確性，確認(rèn)無誤后開始量測外控點(diǎn);（2）放大物方標(biāo)準(zhǔn)方差權(quán)，消除粗差，逐步提高物方權(quán)重，直到探測出所有粗差;（3）利用優(yōu)選權(quán)值進(jìn)行平差處理。

（1）量測外控點(diǎn)時(shí)，先量測測區(qū)四周的像控點(diǎn)6個(gè)以后進(jìn)行平差，其他像控點(diǎn)就可以通過預(yù)測的功能來找到大概位置達(dá)到快速量測旳目的。外控點(diǎn)的量測由專業(yè)人員進(jìn)行，并由另外一位專業(yè)人員檢查。

（2）應(yīng)用外業(yè)工序提供基礎(chǔ)控制點(diǎn)參與計(jì)算，提升空三加密的整體精度;應(yīng)用外業(yè)工序提供的實(shí)測高程點(diǎn)檢測空三加密精度。

（3）量測完后進(jìn)行最終的平差解算，首先將物方標(biāo)準(zhǔn)方差權(quán)放大，進(jìn)行粗差的消除，然后逐步提高物方權(quán)重，確保粗差被全部探測出，最后給合適的權(quán)值強(qiáng)制平差。

3.2 區(qū)域網(wǎng)空中三角測量

根據(jù)連接點(diǎn)（加密點(diǎn)）的影像坐標(biāo)以和少量地面控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)及其物方空間坐標(biāo)，通過平差計(jì)算，求解影像的外方位元素和連接點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。空三測量提供的平差結(jié)果是影像后續(xù)處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

4? DEM、DOM 制作

4.1 DEM制作

首先，根據(jù)空三加密成果，對無人機(jī)航攝的原始影像進(jìn)行重釆樣生成核線影像。其次，系統(tǒng)自動(dòng)匹配三維離散點(diǎn)，得到攝區(qū)的DSM。最后，經(jīng)過自動(dòng)濾波便可得到DEM。雖然DPGrid系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)匹配，但是由于現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性（如水體、樹木、陰影）以及人工地物的影響，所以實(shí)際生產(chǎn)中為了提高DEM的精度，需要對DEM進(jìn)行人工編輯。因?yàn)镈EM是原始航片進(jìn)行糾正的基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確的DEM才能保證DOM的精度。

4.2 DOM制作

DPGrid系統(tǒng)全自動(dòng)生成DOM主要包括：DEM數(shù)據(jù)處理、影像勻光勻色處理、DOM糾正處理、色調(diào)均衡處理以及DOM鑲嵌處理。系統(tǒng)生成的初步DOM結(jié)果，還要經(jīng)過人工編輯，對初始DOM成果進(jìn)行顏色和幾何處理，才能真正滿足對DOM成果的要求。

5? 1∶1000地形圖制作

配合DEM將DOM進(jìn)行校正，然后在拼接生成完整的區(qū)域地圖。最后，將區(qū)域整體導(dǎo)入到VirtuoZo NT軟件中進(jìn)行測圖，生成最終的地形圖（見圖1）。

根據(jù)航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范及地形圖圖式進(jìn)行地物、地貌要素的采集。外業(yè)調(diào)繪人員利用已有的圖紙和測圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪、修測、補(bǔ)測等工作。

6? 無人機(jī)航攝影像成圖精度分析

采用GPS快速靜態(tài)方式獲取該攝區(qū)外業(yè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該樹片區(qū)抽查了 4幅圖（占本片區(qū)圖幅數(shù)的10%），共83個(gè)檢査點(diǎn)。對比這些外業(yè)檢查點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)與圖上坐標(biāo)，計(jì)算出兩組坐標(biāo)的及高程差值。根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出每個(gè)檢查點(diǎn)的平面中誤差。具體計(jì)算結(jié)果如下。經(jīng)過整理計(jì)算，該村片區(qū)地物點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差為1.5cm;高程中誤差為1.1cm。

根據(jù)點(diǎn)位中誤差計(jì)算結(jié)果繪制點(diǎn)位誤差分布圖。點(diǎn)位誤差分布圖更直觀的反映了每個(gè)檢查點(diǎn)的誤差分布情況。可以看出絕大多數(shù)點(diǎn)位誤差分布在0～0.39m之間，其平面精度滿足1∶1000地形圖的要求。

此外，我們將影像數(shù)據(jù)制作的地形圖與已有的1∶1000地形圖數(shù)據(jù)在CASS中進(jìn)行套合比較。

7? 結(jié)語

本文分析了無人機(jī)航攝系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了無人機(jī)低空航攝規(guī)范。詳細(xì)描述了無人機(jī)航測系統(tǒng)測繪1∶1000地形圖的具體工作流程，并對最終生成的地形圖進(jìn)行了精度評定，基本滿足1∶1000地形圖的精度要求。

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