無人機測繪大比例尺地形圖實例研究

摘 要：為解決當(dāng)前無人機測繪大比例尺地形圖精度低，無法為后續(xù)工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的問題，本文進(jìn)行無人機測繪大比例尺地形圖實例研究。通過航空攝影、相片控制、影像預(yù)處理、空中三角測量和大比例地形圖制作，繪制無人機測繪大比例尺地形圖。新的方法可以有效提高地形圖精度，將該方法應(yīng)用于實際工作，可以為各種地理研究和決策提供重要的參考。

關(guān)鍵詞：無人機；航攝；系統(tǒng)；測繪；大比例尺；地形圖

中圖分類號： P 231" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著科技的不斷發(fā)展，無人機技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。無人機具有高效、靈活的特點，可以快速獲取大量高精度的數(shù)據(jù)，包括地形信息、建筑物信息等，為城市規(guī)劃、土地資源調(diào)查和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支持[1]。其中，無人機測繪大比例地形圖的研究和應(yīng)用是無人機技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。無人機技術(shù)迅速發(fā)展，無人機的性能不斷提升，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[2]。無人機的用途已經(jīng)從最初的軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到了民用領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)和測繪等領(lǐng)域。在測繪領(lǐng)域中，無人機具有精度高、效率高和成本低等優(yōu)勢，可以快速獲取大量地形信息，為地形圖測繪提供了新的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)的地形圖測繪通常采用全站儀和GPS等設(shè)備，這些設(shè)備在某些情況下存在一定局限，例如會受到地形和天氣等因素的影響，而無人機可以在這些情況下發(fā)揮其優(yōu)勢[3]。無人機可以飛越復(fù)雜地形和建筑物，獲取高精度的地形數(shù)據(jù)和建筑物信息，還能夠提供分辨率高的遙感影像和三維模型等數(shù)據(jù)，為地形圖測繪提供更多選擇。

1 航空攝影

本次研究的試點測繪區(qū)域為當(dāng)?shù)卮笮娃r(nóng)田整治工程，為滿足工程建設(shè)需求，將此工程的航空攝影任務(wù)委托給當(dāng)?shù)販y繪中心，由此單位承擔(dān)該項目的地形圖測繪作業(yè)。測繪項目所在區(qū)域與開發(fā)區(qū)距離約30 km。項目基本情況見表1。

為確保航空攝影作業(yè)的順利實施，進(jìn)行相關(guān)研究前，將“1985國家高程基準(zhǔn)”作為前提與參照[4]。

在確定地面分辨率的基礎(chǔ)上，設(shè)定無人機的具體航高。在航空攝影中，如果遇到地形較為平坦的區(qū)域，那么可根據(jù)成圖比例，設(shè)定對應(yīng)的地面圖像分辨率，見表2。

參照上述內(nèi)容，進(jìn)行無人機飛行過程中航高的設(shè)計，如公式（1）所示。

（1）

式中：H為無人機飛行過程中的航高；f為焦距，取值為35 mm。HSD為地面分辨率（見表2）；Y為像元尺寸，本次計算取Y的值為6.4 μm。

在航空攝影過程中，根據(jù)項目的具體需求，使用1架低空攝像的無人機、1臺數(shù)碼相機或工業(yè)相機，標(biāo)定選用的設(shè)備，標(biāo)定后確定當(dāng)航空攝影時焦距為35.509 3mm。

完成以上步驟后，設(shè)計無人機實際飛行參數(shù)，見表3。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計無人機航空攝影飛行方案，見表4。

為滿足航空攝影中1∶2 000的成圖要求，參照上述內(nèi)容，設(shè)計無人機在試點地區(qū)的航空攝影。

2 相片控制

完成設(shè)計后，進(jìn)行無人機拍攝的相片控制工作。無人機航空攝影圖像要求如下。1）分辨率。航拍圖像的物理分辨率通常要求1280 ppi×720 ppi，也就是常說的720 P，以保證圖像清晰。航拍無人機攝像頭的分辨率至少達(dá)到4 K，才能保證拍攝的圖像有足夠的清晰度[5]。2）拍攝方法。應(yīng)在陽光明媚的中午進(jìn)行拍攝，拍攝過程要保證連續(xù)性，從而避免相片的色差過大。同時，移動飛機拍攝多組圖像，并保證重疊度足夠。3）圖像質(zhì)量。圖像的傳感器尺寸、鏡頭光圈和視角大小等都會影響航拍的畫質(zhì)。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，布置無人機測繪中的像控點。測區(qū)的4個角落和中部的像控點不能過近，以免漏照。如果要進(jìn)行多次飛行或采用帶狀觀測，則應(yīng)盡可能使各架無人機在交錯區(qū)內(nèi)都有像控點。隨著測區(qū)面積增大，需要布設(shè)的像控點也越來越多[6]。一般情況下，如果測區(qū)面積較小，那么像控點控制在單區(qū)3個；如果測區(qū)面積較大，那么像控點控制在單區(qū)5個。采用上述方法可以在大比例尺地形圖測繪中對相片進(jìn)行有效控制。

在此過程中，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景和要求詳細(xì)規(guī)劃和設(shè)計像控點的布置。

3 影像預(yù)處理

為避免圖像噪聲和誤差傳播對精度的影響，需要在測量前對影像進(jìn)行預(yù)處理，包括噪聲去除和鏡頭畸形校正。采用濾波方法去掉圖像中的噪聲信號，保留具有利用價值的信號[7]。將圖像像素作為處理單元，利用空域濾波器對影像進(jìn)行處理，達(dá)到提高圖像質(zhì)量的目的。當(dāng)對圖像做空間域濾波時，濾波器會在圖像上一步一步地移動，然后將它與已掃描的像素值相乘。用該方法得到的濾波結(jié)果就是該模板所在的像素點的灰度值。為了避免將真正像素點的值誤判為干擾點，可進(jìn)一步利用頻域濾波方法進(jìn)行處理[8]。頻域濾波的基本流程如圖1所示。

在進(jìn)行濾波處理的過程中，二維離散傅里葉變換如公式（2）所示。

（2）

式中：F（u，v）為經(jīng)過二維離散傅里葉變換后得到的結(jié)果；f（x，y）為原始圖像；u、v為頻譜成分；M、N為變換系數(shù)。

鏡頭畸變是失真后的真實像點與理論像點的坐標(biāo)偏差導(dǎo)致的。鏡頭畸變原理如圖2所示。

透鏡失真分為2種，徑向失真和偏心失真。前者僅引起徑向位移，后者既有徑向位移，又有切向位移。鏡頭畸變所引起的不同形變?nèi)鐖D3所示。

鏡頭畸變的校正步驟如下。第一步，構(gòu)建一個室內(nèi)或者室外的控制區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)布設(shè)多個空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)已知的高精度標(biāo)志點。第二步，針對需要進(jìn)行校正的相機，拍攝控制區(qū)域內(nèi)的標(biāo)志點，并提取標(biāo)志點在相片中的像點坐標(biāo)。第三步，按照共線方程和標(biāo)志點的物方坐標(biāo)反算，得到理想坐標(biāo)?？蓪o誤差的理想坐標(biāo)代入畸變模型函數(shù)中，計算校正系數(shù)，如公式（3）～公式（5）所示。

?x=（x-x0）（k1r2+k2r4）+p1[r2+2（x-x0）2]+p2（x-x0）（y-y0）+α（x-x0）+β（y-y0） " "（3）

?y=（y-y0）（k1r2+k2r4）+p2[r2+2（y-y0）2]+p1（x-x0）（y-y0） （4）

（5）

式中：x0，y0為圖像中心點坐標(biāo)；x，y為像點量測坐標(biāo)；?x為像點橫坐標(biāo)的修正系數(shù)；?y為像點縱坐標(biāo)的修正系數(shù)；α為正方形結(jié)構(gòu)以外的比例因子；β為不具備正交性條件的畸變系數(shù)；r為像點的向徑；k1和k2均為徑向畸變系數(shù)；p1和p2均為切向畸變系數(shù)。

4 空中三角測量

空中三角測量以重投影殘差最小化為目標(biāo)重新求解相機成像時的位置和姿態(tài)。在該過程中，當(dāng)測量外控制點時，測量周圍區(qū)域6個像控點，再對其他像控點進(jìn)行平差處理，利用預(yù)測函數(shù)求出大致位置，進(jìn)行快速測量。在外部控制點的測量過程中，應(yīng)由另一名專業(yè)人員負(fù)責(zé)檢查。利用外業(yè)過程中的基本控制點參與解算，提高空三加密的總體精度。利用現(xiàn)場施工過程中得到的測量高程，對空三加密進(jìn)行精度檢驗。測量完畢后，進(jìn)行調(diào)整，將物體的標(biāo)準(zhǔn)方差權(quán)放大，去除粗差，再逐步增大物方權(quán)重，保證探測所有的粗差，并給出適當(dāng)?shù)臋?quán)重來進(jìn)行強制平差。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)空三加密結(jié)果，重新采集無人機航拍的原始圖像，得到了1幅航空攝影圖像。自動配準(zhǔn)3D離散點，獲得目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字高程模型。為保證模型的精確度，可在此基礎(chǔ)上，自動過濾模型中的數(shù)據(jù)。目前，盡管已實現(xiàn)了基于數(shù)字柵地圖的自動匹配，但是受到真實場景（例如水體、樹木和陰影等）和人造目標(biāo)等因素的干擾，仍須對其進(jìn)行手工修改，以提高其精度。由于數(shù)字高程模型是航空影像校正的依據(jù)，因此精確的數(shù)字高程模型是數(shù)字正射影像精度的保證。再利用數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格（DPGrid）系統(tǒng)全自動生成數(shù)字正射影像圖。初始數(shù)字正射影像成果需要對其顏色和幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，才能夠保證最終得到的結(jié)果符合要求。測區(qū)數(shù)字正射影像成果展示圖如圖4所示。

5 大比例地形圖制作

在完成了對數(shù)字正射影像的校正后，筆者配合數(shù)字高程模型進(jìn)行了一系列操作，以生成1張完整且精確的區(qū)域地圖。

首先，將各局部的數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)精確地拼接在一起，這個過程需要考慮到各種可能的誤差和變形，并利用專業(yè)的地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行精確的幾何校正和匹配。

其次，將校正后的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入VirtuoZoNT測圖系統(tǒng)中，這個系統(tǒng)可以自動根據(jù)數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)生成地形圖。在這個過程中，須嚴(yán)格執(zhí)行航空攝影測量規(guī)范，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。同時，參考地形圖圖式，精確地采集和描繪了各種地物、地貌要素。

最后，通過以上工作，得到了1張精確、詳盡的區(qū)域地圖。在該地圖中不僅包括各種地物、地貌要素的信息，還反映了真實的地理情況。

6 結(jié)語

在城市規(guī)劃、土地資源調(diào)查和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，對大比例地形圖的需求不斷增加，而傳統(tǒng)的測繪方式無法滿足。因此，采用新的技術(shù)手段已經(jīng)成了一個重要的研究方向。無人機測繪大比例地形圖的研究和應(yīng)用可以快速獲取高精度地形數(shù)據(jù)和建筑物信息，提供高分辨率遙感影像和三維模型等數(shù)據(jù)，為上述領(lǐng)域提供了更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，無人機測繪大比例地形圖的研究和應(yīng)用是無人機技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。它不僅可以提高測繪工作的效率和質(zhì)量，還可以為城市規(guī)劃、土地資源調(diào)查和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它的應(yīng)用前景將會更廣闊。因此，在后續(xù)工作中，筆者將根據(jù)行業(yè)發(fā)展的具體需求，結(jié)合大比例尺地形圖的測繪要求，深入分析現(xiàn)有設(shè)計成果的不足之處，進(jìn)一步提高無人機測繪的精度和穩(wěn)定性，以適應(yīng)復(fù)雜的地理環(huán)境，探索更有效的解決方案，為地形圖測繪提供新思路。

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