無人機(jī)航空攝影測量大比例尺地形圖方法探討

劉建興 樂美燕

（江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌 330038）

1 引言

大比例尺地形圖測量是城市規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)工作，其成果數(shù)據(jù)是城市建設(shè)的基礎(chǔ)資料，為政府決策、城市建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)，對我國城鎮(zhèn)化建設(shè)有著舉足輕重的作用。隨著航空航天的快速發(fā)展，無人機(jī)航空攝影技術(shù)在測繪領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，其機(jī)動靈活、操作簡便、快速高效的優(yōu)點獲得測繪行業(yè)的青睞[1]。本文以江西省蓮花縣全域1∶1000 比例尺地形圖測繪為例，通過實施生產(chǎn)，獲取了滿足精度要求的地形圖成果，對其施測方法予以分析和探討。

2 實驗區(qū)概述

蓮花縣全域1∶1000 比例尺地形圖測繪項目于2017 年1 月進(jìn)場作業(yè)，歷經(jīng)外業(yè)航飛、像控測量、內(nèi)業(yè)空三及測圖、外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測等工作，8 月底結(jié)束所有工作任務(wù)，共完成1070 平方公里范圍1∶1000 航測數(shù)字化成圖工作。因時間緊、任務(wù)急，項目采用低空無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)開展航空攝影作業(yè)，確保在較短時間內(nèi)獲取項目范圍內(nèi)高精度航空攝影影像。

3 無人機(jī)航空攝影測量

無人機(jī)的快速發(fā)展，使其在各行各業(yè)都受到用戶的青睞，特別對航空攝影測量進(jìn)行了很好的補(bǔ)充和拓展，無人機(jī)航測的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。在地形測量中，無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)憑借便攜靈活、高效快速、生產(chǎn)周期短等特點，能夠快速獲取大比例尺地形圖。同時，在保證產(chǎn)品高精度的基礎(chǔ)上，極大減少了外業(yè)作業(yè)量，節(jié)約了人力、物力、財力。

項目以蓮花縣為測區(qū)，設(shè)定飛行路線進(jìn)行航空拍攝，以及像控點的布設(shè)、測量與整理。利用數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行全自動空中三角測量，生成加密成果。然后，在此加密成果上生成DEM、DOM 產(chǎn)品，最后進(jìn)行立體測圖和外業(yè)調(diào)繪，生成最終地形圖。無人機(jī)航空攝影測量作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)航空攝影測量作業(yè)流程

3.1 航攝平臺及航線設(shè)計

本次航攝采用大白2 無人機(jī)平臺，搭載NIKON D800相機(jī)和UP30型飛控系統(tǒng)，搭配地面站控制系統(tǒng)（如圖2 所示）開展無人機(jī)航空攝影測量數(shù)據(jù)采集。

圖2 航攝平臺設(shè)備

無人機(jī)機(jī)長2.2m，翼展2.8m，任務(wù)載荷10kg，續(xù)航3 小時，支持滑跑、彈射等起飛方式，可隨時隨地起飛；NIKON D800 相機(jī)有效像素3600 萬，相機(jī)焦距35mm，相機(jī)鏡頭經(jīng)有檢測資質(zhì)部門檢核后，能滿足測繪工作需求，航攝能獲取高分辨率影像，已在航空攝影測繪工作中普遍應(yīng)用。

為了滿足1∶1000DOM 制作及航測成圖精度，無人機(jī)飛行的絕對高度預(yù)設(shè)為300 米，相對飛行高度設(shè)置為260 米，航向重疊為80%，旁向重疊為40%，旋偏角不大于8°，最大值不超過10°，傾角不大于2°，最大值不超過4°，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 航線設(shè)計參數(shù)

3.2 像控點測量

像控點應(yīng)選取在像片重疊區(qū)域，距像片邊緣不得小于1.5cm，且容易識別的位置。像控點平面坐標(biāo)采用JXCORS 測量，像控點高程測量采用GPS 二次曲面擬合高程方法測定，由測區(qū)內(nèi)的C 級GPS 控制點三維坐標(biāo)求得轉(zhuǎn)換參數(shù)，在測量系統(tǒng)內(nèi)實時擬合改正。像控點坐標(biāo)成果必須在固定解狀態(tài)下觀測兩次以上，并取平均值作為最終像控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，保證像控點測量成果精度均符合1∶1000 成圖精度要求。

3.3 空三加密

利用GodWork/INPHO 系統(tǒng)的自動空三加密模塊，將外業(yè)原始影像、航攝參數(shù)、控制點等數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，得到外方位元素和空三加密成果。其中利用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差法進(jìn)行平差[2]，利用檢查點對平差結(jié)果進(jìn)行精度檢驗，最終得到的空三像點精度優(yōu)于2/3 個像素，成圖精度滿足1∶1000DOM 精度。

3.4 DOM/DEM 生成

在GodWork/INPHO 系統(tǒng)中，導(dǎo)入空三成果恢復(fù)立體模型，利用自動匹配功能生成高精度DSM，并設(shè)置參數(shù)進(jìn)行保留山體、去除房屋、提取水域等操作，同時導(dǎo)入采集的特征點、線文件，對DSM 進(jìn)行修正得到反映地面特征的DTM 數(shù)據(jù)；對模型DTM 進(jìn)行編輯及自動拼接生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)。利用DEM 成果對原始影像進(jìn)行正射糾正，通過自動生成的鑲嵌線對測區(qū)的模型正射影像進(jìn)行無縫拼接，之后對測區(qū)不同的DOM進(jìn)行色彩均衡處理，最終依據(jù)項目需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分幅裁切修飾[3]，形成標(biāo)準(zhǔn)分幅的DOM 數(shù)字化產(chǎn)品，如圖3 所示。

圖3 DOM圖形成果

3.5 數(shù)字立體測圖

數(shù)字立體測圖主要由適普攝影測量工作站完成。首先將GodWork/INPHO 工作站空三加密成果導(dǎo)入，進(jìn)行測區(qū)重建。然后設(shè)定正確的影像參數(shù)進(jìn)行立體測圖。地形圖數(shù)字采集的相對定向采用全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站自動完成，絕對定向采用空三加密數(shù)據(jù)導(dǎo)入的方式，避免了機(jī)械儀器和人的誤差。之后將雙線道路、水系和高程點等數(shù)據(jù)分層導(dǎo)入適普采集系統(tǒng)，再導(dǎo)出為DXF 后統(tǒng)一按照編碼與南方CASS10.1 的分層編碼對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行批量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，對坎線等有向線型進(jìn)行檢核。最后，將初步DLG 成果與正射影像套合輸出，形成外業(yè)調(diào)繪工作底圖，如圖4 所示。

圖4 DLG圖形成果

4 外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測

外業(yè)工作人員利用內(nèi)業(yè)輸出的調(diào)繪底圖進(jìn)行實地調(diào)繪與補(bǔ)測，并對內(nèi)業(yè)采集成果的數(shù)學(xué)精度進(jìn)行檢測。重點對隱蔽地物、新增地物、遺漏地物和航攝后拆除的地物進(jìn)行實地檢查、補(bǔ)測 ；對地理名稱（如村莊名、單位名稱、工廠名等）進(jìn)行調(diào)查注記；實地調(diào)查完善各等級行政界線位置。 精度檢測應(yīng)均勻選擇抽樣點位，保證測區(qū)成果精度的準(zhǔn)確度和完整性。完成外業(yè)工作后，內(nèi)業(yè)人員根據(jù)外業(yè)調(diào)繪內(nèi)容和補(bǔ)測數(shù)據(jù)，編輯完善地形圖，形成最終DLG 成果圖。

4.1 工作方法

外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測前，應(yīng)對航攝采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行野外精度檢測，包括平面絕對精度和相對精度。根據(jù)航攝工作底圖，全面查清隱蔽和底圖上缺失的地物，調(diào)查地名村名，量測檐廊寬度，對新增或遺漏地物進(jìn)行補(bǔ)測，以周邊明顯規(guī)則地物為參照，利用鋼尺或測距儀進(jìn)行距離交會等方法施測，實地?zé)o法量距定位的地物需采用全站儀極坐標(biāo)法或RTK 測量法進(jìn)行測繪，以保證圖面與實地相符，確保圖形精度。對航攝后拆除或漏攝的地方，均應(yīng)在調(diào)繪工作底圖上標(biāo)注明顯刪除符號或補(bǔ)測記錄，所有內(nèi)業(yè)判讀存在疑慮之處，外業(yè)人員必須現(xiàn)場核實，并對核實情況作出說明補(bǔ)充，以便內(nèi)業(yè)人員修改編輯，保證圖形精度和完整性。

外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測的所有地物地貌符號均按《國家基本比例尺地圖圖式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2017）規(guī)定執(zhí)行，若無規(guī)定符號的地物地貌則以文字加以說明。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測數(shù)據(jù)，在航測內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上對各類信息進(jìn)行修改補(bǔ)充，最終形成數(shù)字線劃圖。

4.2 注意事項

獨立地物要以地物中心點采集，并賦予相應(yīng)符號表示， 圍墻、柵欄等線狀地物要判讀準(zhǔn)位置和方向關(guān)系 ；水系設(shè)施要標(biāo)注水流方向，水涯線以航攝時水位測定，河流、溝渠應(yīng)保證其延續(xù)性，在與其他地物相會時注意取舍關(guān)系，遇重大庫壩應(yīng)標(biāo)注壩體材料；交通設(shè)施要準(zhǔn)確標(biāo)繪出邊界，橋墩、涵洞、路基等需測繪并標(biāo)注面與底高程；管線走向要明確，取舍要合理，特別對電力線要分清電壓強(qiáng)度，共線桿取高一級符號表示；地貌采集要用測標(biāo)切準(zhǔn)模型描繪，宜先測注記點高程，等高線走向合理，坎上坎下需測注高程 ；文字、符號間不能有壓蓋，邏輯關(guān)系要正確，線型地物應(yīng)做線型規(guī)范化，不應(yīng)打碎，應(yīng)為線型解釋時生成的狀態(tài)；各種性質(zhì)注記應(yīng)放置在其范圍居中位置；植被、水田、旱地等面狀地物必須呈封閉狀態(tài)，符號填充以軟件生成或美觀為準(zhǔn)；每幅圖都必須均勻?qū)崪y一定數(shù)量的高程點，并盡可能施測在內(nèi)業(yè)標(biāo)注高程相同位置，便于內(nèi)業(yè)檢核與糾正；圖形接邊必須保證地物要素的位置關(guān)系、邏輯關(guān)系和屬性，不允許強(qiáng)制接邊以致地形地貌精度丟失。

5 成果精度評定

為驗證無人機(jī)航空攝影測量大比例尺地形圖的數(shù)學(xué)精度，在測區(qū)均勻選取200 個明顯特征地物地貌點，利用JXCORS 系統(tǒng)或全站儀極坐標(biāo)法對所選點位的平位精度和高程精度進(jìn)行實地測量，再對實測數(shù)據(jù)與無人機(jī)航空攝影成果圖解數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出實測坐標(biāo)與圖解坐標(biāo)之間的誤差值，即可驗證出無人機(jī)航空攝影測量地形圖成果的精度。計算結(jié)果如表2 所示，其中ΔX/cm、ΔY/cm 為平面坐標(biāo)差值，ΔZ/cm 高程差值。

表2 地形地貌點位誤差統(tǒng)計

對比可知，所抽樣的地物地貌特征點平面位置中誤差為45cm ，其中最小誤差為15cm，最大誤差為86cm；高程中誤差為42cm，其中最小誤差為18cm，最大誤差為77cm。本次無人機(jī)航空攝影測量大比例尺地形圖成果精度滿足《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000 數(shù)字線劃圖》（CH/T 9008.1-2010）中1∶1000 地形圖精度要求[4]。

6 結(jié)束語

本文利用無人機(jī)航空攝影測量獲取源數(shù)據(jù)，輔以像控測量和空三加密，生成DOM 圖形，利用測量工作站處理數(shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)字線劃圖，并將之作為工作底圖進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測，進(jìn)而編制大比例尺地形圖。通過實施蓮花縣全域1∶1000 比例尺地形圖測繪任務(wù)，驗證了本方法操作可行，數(shù)學(xué)精度可靠，減少了人力、物力，節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，提高了工作效率，能快速高效地為政府決策、城市建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計提供服務(wù)。