無人機在1∶1 000地形圖成果質量檢查中的應用與精度分析

張燈軍，郭 軍

(1.廣東省地質局第七地質大隊，廣東 惠州 516000；2．廣州海洋地質調查局 國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760)

傳統地形圖成果質量檢查通常采用人工野外實地查看方式,采取圖面檢查及特征點(坐標、高程、邊長)檢查等，費時費力且效率低下，往往導致漏查漏檢，不能兼顧工作效率和檢查成果質量；近年來無人機技術日趨成熟,其具有機動靈活、反應迅速、使用成本低、操作簡便等優勢，成為一種新型的具有獨特優勢的測量手段[1-3],越來越多地應用于基礎地理信息測繪、應急測繪保障、工程變形監測、文化遺產保護、野生動植物保護、自然災害監測與評估、數字城市建設、城市規劃管理等各個領域[4-6]。若采用無人機航測方式可在較短時間內快速獲取地面影像，經過必要的精細內業處理，生成高質量的數字正射影像，通過對已有成果圖件進行疊加對比分析，可以快捷直觀地檢測出兩者的差異，從而實現對已有成果圖件非常精準的質量檢查。本文以惠州市惠東縣1∶1 000地形圖測繪項目為例，詳細闡述了外業數據獲取及內業數據精細處理過程，最后對生產的1∶1 000地形圖進行正射影像圖疊加比較分析，識別與查找差異，實現對已有成果圖件精準的質量檢查。

1 前期準備

1．1 測區概況

測區位于惠東縣稔平半島的西北部，稔山鎮鹽灶背至亞婆角，總面積約11 km2，測區以丘陵為主，地勢起伏多變，植被較為茂盛。本文選取測區內3 km2作為實驗區，通過ArcGIS軟件將生成的DOM影像與實測的地形圖進行疊加分析，對地形地物和顯著特征點的平面坐標進行逐一對比，檢查分析DOM影像中的地形地物及顯著特征點平面坐標與實測地形圖采集的信息是否完全一致，查找差異，從而實現對成果質量的精細檢查。

1.2 設備參數

本次實驗選用北京朗天博泰科技有限公司生產的LT-150無人機，其采用雙頻GPS，載荷6 kg，續航時間12 h。搭載的數碼相機為佳能5DMark2，2 110萬像素，分辨率為5 616×3 744像素，相機鏡頭焦距為25 mm，影像地面分辨率為8 cm,像幅為5 617×3 742 pix，像元大小為6.42 μ。相機自重約810 g，配合云臺搭載在LT-150無人機上采集影像。

1.3 無人機飛行設置

為保證本次無人機航拍質量，飛行前對無人機系統各種軟硬件進行必要的檢查，保證無人機系統處于最佳工作狀態。選擇晴朗無云天氣，且風力較小的時段進行外業航拍作業。事先通過飛控軟件選好航拍區域，設好像片地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等參數，飛控軟件系統會自動計算飛行航線，設置飛行高度約為250 m。

航飛后及時對質量進行檢查，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20 m，同一航線內航高差不得大于 30 m[7]；航攝漏洞檢查是檢查全測區是否完全被立體像對所覆蓋；影像應清晰，層次豐富，反差適中，色調柔和，可辨認細小地物。

1.4 外業像控點布設

外業像控主要包括兩項：

1)通過地面布設像控點，將影像坐標系統和測圖坐標系統聯系起來。像控點的布設采用區域網布設，選刺執行《低空數字航空攝影測量外業規范(CH/Z 3004-2010)》航向方向按照4～6條基線，旁向方向按照每隔1～2條基線進行布設，能有效控制住成圖范圍；像控點的測量執行《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范(CH/T2009-2010)》，采用RTK方式雙參考站快速靜態測量，本次在航拍區域均勻布設4組共12個平高點,所有像控點均采取噴漆方法在地面明顯地方噴0.8 m×0.8 m紅十字標志(見圖1)，每個像控點的重疊像片數量均不少于6張。

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

圖1 像控點布設圖

2 數據處理

2.1 空三加密

空三加密采用德國INPHO公司生產的INPHO全數字攝影測量系統[8-10]，由攝影測量學家阿克曼教授主導研制，該軟件具有獨特的高精度、高效率、高智能化特點，在數字航空影像領域應用廣泛，能夠同時兼顧內業效率和產品質量。

空三加密包括像點連接、像控點量測、平差計算等過程。具體流程如下：①先檢查外業控制點文件和相機文件輸入正確性，確認無誤后開始量測外控點；②放大物方標準方差權，消除粗差，逐步提高物方權重，直到探測出所有粗差；③利用優選權值進行平差處理[11-13]。

最終計算的空三加密精度為：Mxy=0.176 m，Mz=0.101 m，滿足《中華人民共和國國家標準 1∶500、1∶ 1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測量內業規范(GB/T 7930—2008)》的要求。

2.2 正射影像制作

基于空三加密成果及影像匹配生成數字表面模型(DSM),用于制作正射影像，利用空三獲得的外方位元素及影像匹配獲得的離散三維點，最后通過人機交互的方式，獲得測區DSM，然后根據DSM制作正射影像(DOM)[14-15]，具體流程如圖2所示。

圖2 DOM制作流程

3 試驗結果分析

3.1 DOM提取點位精度與現場全站儀實測的比較

首先提取空三處理后的DOM典型地形地物特征點，如明顯道路拐點、道路交叉點、房屋拐角等的坐標值，共計36個地物點；然后利用全站儀實測36個地物點的平面坐標值；最后同一個點位的航測成果和全站儀法實測結果進行對比分析，如表1所示，圖3為點位誤差分布。

從表1可知，X坐標較差最大為3.9 cm，計算出平均值為2.402 277 8 cm；Y坐標較差最大為3.8 cm，計算出平均值為1.908 333 cm；根據點位中誤差計算公式，計算得出X方向點位中誤差Mx=1.061 992 cm，Y方向的點位中誤差My=1.073 357 cm，平面點位中誤差Ms=1.509 941 cm。根據相關規范，本次試驗精度分析結果完全滿足明顯地物測量成果坐標檢查的要求。

3.2 正射影像圖(DOM)與實測地形圖圖面對比檢查

隨機抽取部分正射影像圖(DOM)與實測的地形圖進行疊加比較分析，發現實測地形圖主要存在以下幾個問題：

表1 航測成果和全站儀法實測結果對比分析 cm

圖3 點位誤差分布圖

圖4 測圖遺漏

1)測圖遺漏問題。如圖4所示，正射影像圖(DOM)中呈現出一處簡易棚房、多處獨立墳墓、路燈及電線桿，而實測地形圖中則沒有，檢測出實測地形圖存在漏測現象。

2)測圖錯誤問題。如圖5所示，發現實測地形圖存在旱地、水稻田及林地地類表示錯誤、范圍邊界錯誤，按照制圖規范田地應當單獨表示，而不能將水稻田、旱地等不同地物用統一符號表示。

圖5 測圖錯誤

3)測圖不合理問題。如圖6所示，通過正射影像圖(DOM)疊加地形圖對比分析后，發現測區東南側為河流，周邊地形較為復雜，河流斜坡存在表達不合理問題，樹木應單獨表示，斜坡應通過等高線來表示，而不是簡單地采用斜坡符號來表示。

圖6 測圖不合理

4 結束語

本文運用無人機技術獲取高分辨率的地面影像，通過空三加密處理，統一坐標系統，最終生成正射影像圖，通過與實測地形成果圖進行疊加對比分析，快速發現并精準識別出實測成果坐標錯誤信息以及地形地物漏測錯測及表達欠合理等問題，大大減輕了大面積測圖外業成果檢查的工作強度及工作量。同時對檢查成果精度進行分析，試驗結果表明平面坐標及高程坐標滿足相關規范要求，證明利用無人機技術對大比例尺大面積地形測繪成果進行檢查這一技術手段的可行性及可靠性。