小飛機航測在新能源測繪中的運用

楊乾

中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司 貴州貴陽 550081

進入21世紀以來，隨著我國經濟的高速發展，人類生產活動對原始地表產生了很大的影響，為了不影響社會主義現代化的經濟建設，對國家大地地理信息數據的更新具有很大的迫切性；無人機航測技術傳統航空攝影測量手段的有力補充，其具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢，隨著無人機與數碼相機技術的發展，基于無人機平臺的數字航攝技術已顯示出其獨特的優勢，無人機與航空攝影測量相結合使得“無人機數字低空遙感”成為航空遙感領域的一個嶄新發展方向，無人機航拍可廣泛應用于國家重大工程建設、災害應急與處理、國土監察、資源開發、新農村和小城鎮建設等方面，尤其在基礎測繪、土地資源調查監測、土地利用動態監測、數字城市建設和應急救災測繪數據獲取等方面具有廣闊前景[1]。

1 使用小飛機航測的技術優勢

為了響應國家的能源政策：節能減排、大力發展新能源！ 其中新能源-太陽能光伏發電迎來了發展的春天；在以往光伏電站的建設所需第一手測繪資料是通過傳統的測繪方法人工跑點（地形特征點）來實現的。傳統方法的作業流程為：收集資料-現場踏勘-選點埋石-控制測量-碎部測量-生產地形成果文件；相對于無人機航測其缺點有：（1）測繪外業作業周期長、外業工作量大，人工成本高。（2）工作效率受地形地貌影響較大。（3）成果文件不直觀準確，不利于設計、業主使用。小飛機航測的優勢主要體現在：（1）具有較強的機動性（2）正射影像分辨率高、DSM精度高。（3）成本造價低，飛機購買價格低廉，使用費用也很低，且低空飛行空域申請方便。（4）測量周期短、受氣候影響較小、對起降場地的要求限制較小。（5）操作簡單、運輸便利。我們國家面積遼闊，地形和氣候復雜，很多區域常年受積雪、云層等因素影響，導致衛星遙感數據的采集受一定限制。傳統的大飛機航飛國家有規定和限制；而無人小飛機就很好的解決了這些問題。不受航高限制，成像質量、精度都遠遠高于大飛機航拍[2]。

2 小飛機航測主要工作流程

圖1 航測技術流程

3 影像處理

（1）影像重疊度：由于小飛機本身重量較輕、像幅較小、受風力影響較大，導致飛行空中飛行姿態不穩定、相片變形大、影像重疊度達不到大飛機的指標要求。

（2）相機檢校：小飛機所搭載的相機為非專業航測相機，影像像幅較小，且鏡頭畸變較大。

（3）像控點：增加地面像控點，人為提高照片精度；普通無人機pos系統定位精度不高，不能滿足航測規范的精度要求[3]。

（4）飛行高度主要影響的是飛行航片中的GSD(每個像素的實際大小)，飛行高度的變化必然會影響航片相幅的大小，飛行高度與GSD的關系值。通過分析數據可以得出，飛機離地面越近，GSD 數值越小，則精度越高。從中也發現，地面起伏變化大的地區選取合適的飛行高度對提高精度也是相當重要的。

4 工程應用實例

4.1 測區概況

本次選用工程為貴州省黔西南州貞豐縣某光伏電廠100MWp地形圖測繪工程，項目在東經105°33＇0．19＂，北緯25°21＇58．77＂的位置，測區面積為2．5km2，平均海拔約1400 m，高差不超過200 m，測區主要為旱地及少部分灌木地。

4.2 試驗的目的

本項目利用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機飛行，航高為150m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，共飛行9個架次，航拍照片共1632 張，相片分辨率為5472× 3648 像素；在航拍區域共布設61個外業像控點，實現1: 1000 比例尺航測立體成圖，以及高精度DSM、DOM 數據的快速獲取。

4.3 數據獲取

采用南方銀河6 GNSS接收機做好外業靜態控制，GPS-RTK布設像控點，大疆精靈Phantom 4 RTK無人機采集相片數據[4-5]。

圖2 外業工作照片

在野外航拍結束后，進行內業數據處理分析。小飛機航測數據內業處理主要包括數據準備、數據預處理、點云分類處理、生成DOM和DSM、三維測圖等幾個步驟。

本試驗試驗Pix 4D軟件進行空三測量與DOM和DSM生成，起具體流程如下圖：

圖3 Pix 4D數據處理流程

Pix 4D生成的DOM和DSM利用清華山維EPS3D Survey 三維測圖系統生成DEM數字高程模型，在三維模型上獲取地形數據信息，采集房屋、道路、地形、地貌等。等高線生成通過EPS 3D提取地形高程點，利用南方CASS 9．1生成三角網后在生成等高線，形成最終地形成果文件；成果文件如下：

圖4 1:1000地形圖成果

4.4 成果精度分析

為了驗證地形圖的精度，在測區采用GPS-RTK實地測量部分地形特征點作為檢查點，通過實地GPS-RTK測量獲得的檢查點坐標與地形圖上的坐標對比來判斷檢查點點位中誤差和高程中誤差是否滿足測繪大比例地形圖的規范要求[6]。

本次在測區均勻地實測了30個電桿、50個房角點、53個像控點（校核點）、路面高程點23個、散墳26個和田坎75個，通過計算點位平面中誤差和高程中誤差進行精度分析。依據中誤差公式求解出檢查點的平面中誤差M△XY，如下公式所示：

式中n為檢查點個數

高程中誤差M△H，如下公式所示：

式中n為檢查點個數

根據《工程測量規范》（GB 50026-2007）5．1．5 表 5．1．5-1和表5．1．5-2的要求：平面誤差規范規定主要地物為 圖上0．6mm= 實地 0．6×1000=0．60m

高程誤差規范規定≦6°等高線中誤差 圖上0．5Hd =實地0．5×1m=0．50m

經計算測量結果精度滿足《工程測量規范》（GB 50026-2007）5．1．5表5．1．5-1和表5．1．5-2中1:1000地形圖的精度要求。

5 結語

小飛機航測技術是測繪領域近幾年隨著計算機技術的發展而開始使用的一門新技術，通過在同一無人飛行平臺上搭載多臺傳感器能夠快速還原真實世界。本文小飛機航測系統生成了真實三維模型，然后利用清華山維EPS三維測圖系統采集地形要素，制作大比例尺地形圖。通過房角點、地物點坐標對比計算，驗證了該方法繪制的地形圖在平面和高程上均可以滿足1∶1000 地形圖的精度要求，可為生產大比例尺地形圖提供理論依據。

（1）根據結果可證：在測區高差變化不大的區域設置相對航高150m時：生成的數據精度可靠，影像分辨率達到規范的要求，生產效率大大提高；滿足1:1000大比例地形圖測量的精度要求。

（2）在航高不變的情況下：使用8～61個相控點作為平高控制點進行空三計算，實際對比發現高程精度提高不明顯；若采用7個或7個以下相控點作為平高控制點進行空三計算，對比發現高程精度受平高點影像較大。因此，本項目推薦使用均勻分布在測區周圍的10個平高控制點[7]。

（3）利用小飛機低空攝影測量獲得的地形點點位精度滿足1:1 000數字地形圖測繪的平面精度及高程精度的要求。但由于小飛機姿態差、受風力影響較大，在外業小飛機航測作業時需按照航測外業規范要求，降低影響無人機航拍影像質量的外界因素、提高影像精度。

（4）絕大多數地物點都能在正射影像（DOM）中準確判讀，測區范圍內被遮擋的地物如電桿、散墳和地下管線等不能直接在正射影像中準確獲取的，應采用常規全站儀或GPS-RTK進行野外實測補繪[8-9]。

表1 與全野外數字測圖法精度比較

表2 DOM與DEM分辨率單位：m

表3 不同比例尺DOM與DEM分辨率要求，單位：m

（5）在地物簡單的地方、地形特征變化規律的地方采用小飛機航測進行1:1000大比例尺測圖工作：其測繪成果精度高、影像分辨率高、成果疊加影像顯示直觀、能較大的節約生產成本，提高工作效率[10]。