無人機在城市基本地形圖測繪中的應用

高志國

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省工程技術研究中心，廣東 廣州 510060)

無人機在城市基本地形圖測繪中的應用

高志國1，2*

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省工程技術研究中心，廣東 廣州 510060)

依托低空無人機航測系統進行1∶500大比例尺地形圖數據快速獲取與處理方法的應用研究，簡述了無人機作業的主要工作流程，探討了無人機測圖的關鍵技術。結合廣州市2016年度基礎地形圖更新項目進行了 1∶500大比例尺地形圖生產與成果精度評定。結果表明低空無人機航測技術在地勢平坦、地形結構較簡單地區滿足 1∶500大比例尺地形圖精度要求，具有明顯的技術優勢和良好的應用前景。

低空無人機航測；城市基本地形圖；快速測繪；1∶500地形圖；DOM

1 引 言

城市基本地形圖是進行城市建設、規劃管理、國土資源管理等最基本的基礎地理信息資料。其在城市規劃、建設、交通、管理、社會與公眾服務以及可持續發展研究等眾多領域的作用日益重要，對基本地形圖的準確性、現勢性和覆蓋率的要求也越來越高。

隨著數字化、智慧化城市建設的快速發展，城市基本地形圖如何實現快速有效、實時更新，滿足城市規劃建設需要，是目前城市測繪工作亟待解決的難題之一[1]。

無人機低空遙感技術是航空遙感領域一個新的發展方向，具有低成本、方便快捷、靈活機動、高效率、高分辨率等特點，并已逐步應用于大比例尺地形圖航空攝影測量領域[2，3]。憑借自身的技術優勢，可快速、高效獲取高精度、高分辨率的影像數據，成為傳統航空攝影測量的有效補充手段[4，5]。

2 項目簡介

2.1項目概況

為滿足廣州市規劃建設需要，實現廣州市基礎地形圖全覆蓋，并建立廣州市基礎地理信息數據庫，更好地為廣州市十三五規劃的實施提供基礎測繪保障，廣州市開展了2016年度城市基本地形圖更新工作(1∶500數字化地形圖測量及數據入庫)，項目測量面積 121.4 km2。本項目生產實踐測區選擇為赤泥C作業區，航測面積 3 km2，如圖1所示。

圖1 基本地形圖更新項目測區示意圖

2.2低空無人機平臺

本項目采用TrimbleUX5HP無人機(如圖2所示)，該系統具有操作簡便、全自動、精度高等特性，系統集成高性能Trimble GNSS接收機和a7R全畫幅相機能夠采集高分辨率的影像數據。后處理動態(PPK)GNSS技術可在絕對系統中建立非常準確的圖像位置，有效減少地面控制點，獲得高精度成果數據。

圖2 UX5HPUAV

3 工作流程

無人機航測制作大比例尺地形圖的主要工作流程如圖3所示。

圖3 無人機測圖主要工作流程

3.1作業準備工作

主要準備工作包括：資料準備、設備準備、相機檢測等。

(1)收集測區基礎資料，如基礎地形圖、衛星影像資料、控制成果等，了解測區地理位置及情況。

(2)相機檢校，獲取準確的相機內方位元素和畸變參數。

(3)飛行平臺設備進行檢校與常規檢查確保航攝平臺各設備主要技術參數符合規范要求。

(4)現場踏勘選擇合適的起降場地。

3.2航攝作業

3.2.1 航線設計

UX5HP飛行航線設計利用Aerial Imaging軟件完成；為滿足測圖精度要求，提高飛行效率，本次航線設計采用索尼a7R II相機 35 mm鏡頭，航向重疊度設計為80%，旁向重疊度設計為80%，地面分辨率設計為 5 cm，航高設計 375 m，如圖4所示。

圖4 航線規劃設計

3.2.2 控制點布設及測量

本項目航測采用地面架設GNSS基準站，利用PPK后處理動態差分技術提高定位解算精度。控制點布設按照相關規范要求，在測區范圍內均勻布設地面控制點，利用廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統(GZCORS)測量像控制點坐標，通過廣州市似大地水準面精化成果轉換為廣州市坐標系坐標，共布設及測量控制點40個，如圖5所示。

圖5控制點布設方案

3.2.3 影像獲取

影像獲取主要包括起飛前檢查、無人機航飛、現場數據整理、檢查等。

(1)起飛前檢查

為確保無人機航攝安全，飛機通電后需要進行自檢及嚴格的安全檢查，具體如下：

①gBox狀態檢查，線纜連接檢查、GNSS天線視野開闊、gBox正常啟動、鎖定衛星檢查。

②相機檢查，SD檢查、相機設置檢查、設置快門速度、清潔相機鏡頭和濾鏡、相機熱插拔線路連接、尼龍扣帶固定、相機觸發器檢查、快門反饋檢查。

③跟蹤器檢查，確保跟蹤器打開、接收器接收信號檢查。

④升降翼檢查，外弦升降翼與內弦升降翼水平檢查、升降翼反應檢查。

⑤發射架檢查，發射架裝配、安全插銷插入發射架、彈力繩力度檢查。

⑥空速反應檢查，確保空速反應正常。

⑦飛機定位檢查，飛機裝配到發射架上，定位螺旋槳位置、飛機位置正確。

完成起飛前檢查后，拆除安全插銷，啟用無人機系統，等待系統正常啟動后，即可發射無人機。

(2)無人機航飛

無人機起飛后，按照規劃路線升空進行影像數據采集，地面站開始對飛機工作狀態進行實時監控，技術員應時刻關注無人機的狀態、風速、飛機的高度及速度等指標，如發現異常應立刻做出判斷和處理，如正常即按預定線路采集完成后返航降落。項目共航飛9架次，采集影像數據 2 600張。

(3)數據整理及檢查

現場對航飛數據進行整理，核查拍攝照片數量與飛行軌跡參數是否一致，是否出現漏拍現象；檢查照片質量，是否有模糊不清等情況；現場對航飛成果質量的進行全面、快速檢查、計算航向重疊度、旁向重疊度、生成檢查結果報表等。檢查完成后如存在質量問題則需重新補攝飛行，若無質量問題，則本次航攝完成，如圖6所示。

圖6外業航飛質量檢查

3.3數據處理與DOM制作

3.3.1 空三加密

數據預處理主要包括原片檢查、POS數據整理、控制點數據整理等。預處理完成后利用INPHO軟件進行空三加密處理。空三加密過程中，在立體像對的點位上選刺控制點，通過控制點點位調整及平差優化，最終從40個控制點位中選擇了28個點作為控制點，其余點位作為檢查點，同時為了增加模型連接的強度，避免由于某一個控制點的誤差過大引發全局性的負面影像，在立體像片上增加一些模型連接點tie point參與空三平差。經過反復的點位調整、優化，最終達到平面 0.07 m，高程 0.06 m的絕對定向精度，如圖7所示。

3.3.2 DOM制作

根據上述空三加密的成果，利用DEM數據對影像進行數字微分糾正和影像重采樣，生成單片的數字正射影像DOM，由于無人機飛行高度較低，高層地物同名點視差較大，按照相機中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，往往會出現接縫和建筑物邊緣扭曲的現象，所以，需要對正射影像的鑲嵌線進行人工編輯， 鑲嵌線的選取及修改盡可能避免穿過大型建筑物，選擇紋理不豐富的位置，遠離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實體的邊緣等。同時，對于不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致，如圖8所示。

圖7 空三加密精度報告

圖8 0.05 m分辨率DOM成果

3.3.3 DLG立體采編

本項目1∶500DLG制作通過航天遠景Map Matrix平臺與清華山維EPS平臺的定制與對接，利用EPS平臺進行二次開發，使立體測圖與得到“圖屬合一”的GIS數據的工作目的同時達成，相比國內目前絕大多數的DLG生產流程更為高效、先進。

(1)數據準備，準備INPHO空三平差工程文件及無人機原始影像數據，將必要的文件放到同一的文件夾的同級目錄下，如影像ID、外方位元素文件，加密點文件，像點文件等，保持文件前綴名稱一致。

(2)新建工程，打開EPS基礎測繪平臺，選擇航測采編模塊，建立廣州市基礎地理模板-500工程文件。

(3)模型恢復，選擇立體測圖菜單，加載立體像對，恢復立體模型。

(4)立體采編，掛接外接輸入設備，設置工作區，開始進行數據采集工作。

按照立體模型實際能觀測到的原則進行全要素采集，盡可能對可觀測到的地物按照“內業定位、外業定性”的原則進行數字化跟蹤，外業調繪修編等工作，共編制1∶500DLG成果216幅，如圖9所示。

圖9編繪的DLG

4 數據處理關鍵技術研究

4.1建筑物投影差改正[12]

本項目通過前期的研究成果，采用一種聯合影像方位元素和物方三維點云數據的方法，利用投影中心、DSM、DEM上形成的同名點共線關系，由DSM物方點利用外方位元素計算出的DEM像方點之間的高差所構造出的數字高程模型，形成跟隨影像點位同步變化的投影高差模型，此處稱它為影像同步變化的投影數字差模型(image elevation synchronous model，IESM)，通過該模型采用共線方程解算房屋屋角的三維坐標，從而實現了建筑物的半自動投影差改正。由于測區建筑主要以低層居民房為主，利用投影差改正模型取得良好效果，如圖10所示。

4.2 EPS2012集成二次開發

本項目以廣州市規劃基礎信息化測繪平臺EPS 2012為基礎，采用VC++6.0開發平臺及VBScript腳本語言進行功能專業二次開發，實現了應用程序層以及全局數學函數庫與控件庫的動態鏈接SDL(Sunway dynamic linked library)，快速搭建了基于EPS2012航測采編平臺，實現運行時動態加載或輸入命令加載，如圖11所示。新開發的EPS測圖功能集成模塊化管理，通過菜單工具條加載功能，延續了EPS原有功能界面與操作習慣。同時對數據模板進行標準化封裝，實現 1∶500～1∶2000數據標準在制圖顯示過程中強制標準化，實現數據生產、制圖輸出、數據建庫、數據應用四者一致性，有效保證數據無異化。

圖10 投影差改正原理及效果圖

圖11 基于EPS2012平臺開發的測圖系統

5 項目成果與精度分析

基于無人機航攝數據，經上述流程化的處理，得到測區DOM、DEM、DLG等，為了保證成果精度，對本次航攝測繪的地形圖成果精度進行外業檢測，采用GZCORS_RTK快速獲取外業檢查點的三維坐標數據，整個測區內施測平面坐標及高程檢測點122個、距離檢測點83個，利用中誤差計算公式計算出各個檢查點的中誤差，依據計算結果可得(如表1所示)，本次航攝繪制的 1∶500地形圖精度滿足《低空數字航空攝影測量內業規范》的精度要求。可作為基礎測繪成果提供使用。

6 結 語

本文無人機航攝測繪大比例尺地形圖生產應用，基于地形結構較簡單、地勢比較平坦地區，經實地檢測，成果滿足大比例尺地形圖精度要求，作業效率也較傳統測量模式有大幅提高，有效提高生產效率，縮短生產周期，加快了內、外業數據成產的一體化作業流程。滿足了項目建設快速完成測繪任務的要求，為大比例尺地形圖快速測繪提供了新的技術手段。

隨著數字城市、智慧城市建設的全面發展，城市規劃及建設對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。低空無人機航攝系統，憑借低空作業、機動靈活、高分辨率、高精度、高效率、低成本等特點，已廣泛應用于城市規劃、低空航空攝影、應急測繪、環保監測、工程勘察等領域。隨著無人機航攝技術的不斷成熟，續航能力、飛行穩定性、小像幅等缺點也將逐步得到改善，使其有更廣闊的應用前景和優勢。

無人機航測地形圖精度檢測表 表1

[1] 曹兵. 城市基本比例尺地形圖動態聯動更新機制[J]. 測繪工程，2016，25(5)：78～80.

[2] 劉玉潔，崔鐵軍，郭繼發等. 無人機航攝大比例尺測圖的關鍵技術分析[J]. 天津師范大學學報·自然科學版，2014，34(2)：37～40.

[3] 陳杰，童小華，劉向鋒等. 黑河流域中游無人機遙感影像數據處理[J]. 地理信息世界，2014，21(1)：63～67.

[4] 高志國，宋楊，曾凡洋. 微型無人機航攝系統快速測繪小區域大比例尺地形圖試驗分析[J]. 工程勘察，2015，12(1)：71～75.

[5] 王湘文，于啟升，王雅鵬. 無人機低空攝影測量系統在大比例尺地形圖中的應用[J]. 地礦測繪，2013，29(1)：34～36.

[6] 何敬，李永樹，徐京華等. 無人機影像制作大比例尺地形圖試驗分析[J]. 測繪通報，2009(8)：24～27.

[7] 楊愛玲，于洪偉，鄭燦輝. 關于輕型無人機航攝影像的質量探討[J]. 測繪與空間地理信息，2011，34(2)：185～187.

[8] 李永樹. 基于無人機技術的地形圖測繪研究[J]. 測繪，2011，34(4)：147～151.

[9] 張惠均. 無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J]. 測繪科學，2013，38(3)：100～102.

[10] 魯恒，李永樹，何敬等. 無人機低空遙感影像數據的獲取與處理[J]. 測繪工程，2011，20(1)：52～54.

[11] 薛永安，王曉麗，張明媚. 無人機航攝系統快速測繪礦區大比例尺地形圖[J]. 測繪地理信息，2013，38(2)：46～48.

[12] 李長輝，王峰，王磊等. 城市機載LiDAR測圖系統關鍵技術研究與應用[J]. 測繪通報，2013(8)：36～39.

[13] 史占軍，于志忠，郭志強. 無人機攝影測量在1∶2000地形圖的應用[J]. 吉林地質，2011，30(3)：133～136.

ApplicationofUAVinSurveyingandMappingofUrbanBasicTopographicMap

Gao Zhiguo1，2

(1.Guangzhou Urban Planning Design & Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center，Guangzhou 510060，China)

Application research and processing method for rapid acquisition the1∶500 large scale topographic map data relies on the Unmanned Aerial Vehicle low altitude aerial system，introduced the main workflow and the key technologies of UAV image mapping is studied，in the city of 2016 basic map updating project with low-altitude UAV aerial production the 1∶500 large scale topographic map production practice and Accuracy Analysis of Project Achievements.The result show that UAV aerial surveying technique can meet the requirements of 1∶500 large scale topographic map has obvious technical advantage and good application prospect in large-scale topographic map rapid mapping in flat terrain and simple terrain structure.

UAV-aerial system；urban basic topographic map；rapidSurveying；1∶500 topographic map；DOM

1672-8262(2017)05-29-06

P231.5

B

2017—07—26

高志國(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要從事測繪新技術研究及應用。

廣東省科技計劃產學研專項(2015B090903020)

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優秀論文二等獎。