無人機影像制作大比例尺地形圖探討

雷廣淵

廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院 廣東 廣州 510060

正文：

1 引言

近年來,無人機航測技術(shù)作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，越來越受到各界的關(guān)注，無人機可以快速獲取目標(biāo)區(qū)域的影像信息，通過影像信息的提取相關(guān)信息,在土地利用調(diào)查、建筑違法監(jiān)測以及繪制大比例尺地形圖有重要意義。低空無人機是高分辨率及高精度遙感影像獲取技術(shù)，它以無人機為飛行平臺，負(fù)載數(shù)碼相機以及機載的GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等，可以實現(xiàn)無人機按設(shè)計航線自主飛行。該技術(shù)集成了遙感技術(shù)、計算機技術(shù)、定位差分技術(shù)與一體，可以快速獲取目標(biāo)區(qū)域的影像信息和位置信息，高分辨

率影像能夠達到大比例尺地形圖精度要求。本文探討了利用無人機影像制作大比例尺地形圖的方法，提高生產(chǎn)效率，豐富測量成果。

2 無人機低空攝影測量

無人機遙感平臺分為空中部分和地面部分。其中空中部分包括遙感傳感器系統(tǒng)、空中自動控制系統(tǒng)、無人機;地面部分包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。空中部分的主要功能是規(guī)劃航線并上傳到飛機上的控制器,飛行中監(jiān)控飛機狀態(tài)。地面部分主要功能為設(shè)計和規(guī)劃航線,無人機的實時控制與飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的實時接收。無人機則利用無線傳輸通道將飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴目刂谱酉到y(tǒng)，地面工作人員可以在地面監(jiān)測無人機的飛行航線，在必要的情況下，可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)更改本次飛行的計劃，例如可以馬上進行部分地區(qū)的補拍，如遇緊急狀況或降落時，可自動切換成手控飛行。

圖1 無人機測量原理

3 無人機影像制作大比例尺地形圖

無人機通過前期準(zhǔn)備、外業(yè)實施，獲得影像數(shù)據(jù)，通過外業(yè)的相片控制測量，可以將影像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的輸出坐標(biāo)系。為了能夠順利的進行矢量化，需要對無人機獲得的影像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過空三加密、平差生成正射影像。無人機的數(shù)據(jù)處理及地形測圖流程如下：

圖2 無人機作業(yè)流程

獲取了無人機的正射影像，影像已經(jīng)是國家標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)或者是地方坐標(biāo)系統(tǒng)，為了更好的進行矢量化，使得矢量化的精度更加準(zhǔn)確，加密控制點，使用控制點對正射影像進行影像糾正，糾正后殘差在一定范圍內(nèi)方可進行矢量化。

野外調(diào)繪及補測。因為無人機獲取的影像因為遮擋等因素，造成部分?jǐn)?shù)據(jù)信息丟失或者不夠清晰，使得成果無法進行矢量化，野外調(diào)繪的目的是對無人機影像的數(shù)據(jù)補充，使得成果能夠完整的輸出。數(shù)字矢量化是將影像糾正后，為了能夠生成地形圖，需要利用畫圖軟件進行數(shù)字矢量化，本文采用清華三維EPS2008進行矢量化，成果如下圖

圖3正射影像矢量化

4 實驗概況

本次實驗區(qū)域為南方沿海城市，飛行時間選擇在冬季，飛行區(qū)域地勢平坦，無人機飛行范圍內(nèi)有道路、高層建筑物等，海拔-10m-10m，項目飛行相對高度為384米，預(yù)設(shè)航向重疊度80%，旁向重疊度80%，飛行范圍為6平方公里，沿南北飛行了16條航線，共拍攝了500多張影像。

為了提高地形圖測繪的效率，充分發(fā)揮測繪新技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用，在生產(chǎn)中提供多樣豐富的數(shù)據(jù)成果，項目使用無人機技術(shù)對道路進行高分辨率的低空攝影測量，通過相片控制測量，空三加密等一系列內(nèi)業(yè)處理，生成廣州坐標(biāo)系下的正射影像。

圖4 正射影像與地形圖疊加

5 實驗結(jié)果分析

為了分析無人機影像制作數(shù)字化地形圖的數(shù)學(xué)精度，將傳統(tǒng)測量方法獲得的數(shù)字化地形圖與影像在arcgis中進行疊加分析，分別抽取每幅圖中具有特征點的數(shù)據(jù)提取進行精度分析的采樣點，實驗共抽取105個點進行精度統(tǒng)計。結(jié)果如表1所示。

表1 精度比較

根據(jù)表1顯示，平面精度的點位中誤差為0.123，多數(shù)點位在0.20m之內(nèi)，其平面精度滿足1;2000數(shù)字化地形圖的精度要求。通過無人機數(shù)據(jù)獲取和線性化的過程分析，可以總結(jié)出影響無人機影像制作大比例尺地形圖精度的原因：

1、無人機體積小，易受風(fēng)、天氣等的干擾，風(fēng)速過大，在影像處理過程中，無法對風(fēng)速等天氣原因進行改正，影像有幾何變形。

2、投影差的影響。無人飛行高度較低，建筑物等的高度與飛行高度相差不大，致使部分高層建筑物在影像處理過程中不能準(zhǔn)確拾取連接點，部分還不能產(chǎn)生正射的效果。

3、數(shù)字地形圖的精度和矢量化化的精度。 影像在與傳統(tǒng)地形圖進行精度比較時，需要進行矢量化，矢量化的過程中必然存在人為因素導(dǎo)致的誤差。傳統(tǒng)的數(shù)字化地形圖在測量、成圖的各個階段也存在誤差。

6 結(jié)論

通過工程分析，無人機影像制作大比例尺地形圖與傳統(tǒng)的測量模式具有明顯優(yōu)勢，不僅提高了作業(yè)的效率，降低了成本，而且更加豐富了成果，精度滿足國家大比例尺地形圖的精度要求。因此研究無人機影像制作大比例尺地形圖具有十分重要的意義。