無人機航測技術在海圖測繪中的應用研究

王寶文 戴云舟

摘 ?要：隨著無人機航測技術的快速發展，其在海圖陸域要素更新、海域動態監管領域應用越來越廣泛，針對海圖測繪養殖區、陸域地形測量常規作業存在的困難，采用縱橫CW-10C免像控無人機航測系統進行空中三維地形數據采集，并嚴格按照規范要求進行處理成圖，質量檢驗結果表明，測量成果滿足規范要求，試驗方案具有較好的適用性，在海圖更新測繪中具有廣闊的應用空間。

關鍵詞：無人機;免像控系統;海圖測繪;三維地形測量

0 引 言

隨著國家“海洋強國”戰略的實施，沿海港口建設飛速發展，對海圖數據的及時更新提出了更高的要求。我國海岸線漫長，港口及沿岸的交通、建筑、港口設施、近海養殖等地理環境隨著海洋經濟的快速發展而發生變化，給海圖陸域測繪和近海養殖區測繪帶來較大的挑戰，采用傳統的地形測量和水深測量方式不僅效率低下而且作業難度大，難以滿足海圖的現勢性，所以積極探尋一種快捷、有效、低成本、精度高更新海圖陸域要素和近海養殖區的測繪方法勢在必行。

近年來，低空無人機遙感技術的快速發展，為用戶提供了一種快速數據采集、處理、分析應用為一體的新型測繪方式[1] ;無人機航測系統智能化高、機動性強、影像分辨率高、成本低的優點為海洋測繪覆蓋高危地區提供了可能，在海洋測繪領域的應用越來越廣泛。結合海圖數據豐富的海圖要素信息，采用無人機技術更新海圖陸域要素和近海海圖是一項具有開拓意義的課題，為近海航海保障、港口規劃及海圖修編提供了新的手段[2]。

本文利用縱橫CW-10C免像控無人機航測系統，在東山灣海岸帶區域進行了1：1 000比例尺航測試驗研究，通過免像控系統解決了近海養殖區和海岸地形復雜不利于布設像控點以及養殖區缺少地面控制點的難題，通過試驗分析無人機影像在近海養殖區和海岸帶測量中的精度及可靠性。本研究可為后續的東山灣、廈門灣海圖更新測繪提供新的思路。

1 免像控無人機航測系統

大鵬CW-10C 1：500免像控航測系統是集成縱橫大鵬無人機科技有限公司CW-10C垂直起降固定翼無人機、后差分GPS，及訊圖科技有限公司天工免像控航測數據處理軟件的完整解決方案。具有航線自動生成、自主起降及飛行控制、飛行狀態實時監控、高精度POS數據生成、現場數據質量檢查、一鍵式免像控空三解算等功能，主要應用于海島、海岸帶大面積區域基礎地理信息數據采集、海岸工程動態監視監測、數字城市建設、國土資源調查、地質環境勘察、災害應急處理等多個領域，是傳統航空攝影測量手段的有力補充。主要由地面控制站、天線、飛行器（含自動導航系統及機載圖像采集設備）等部分組成，如圖 1所示。性能參數見表1 。

2 研究區域概況

2.1研究區選取及區域概況

本研究選取福建沿海東山灣，位于東山縣銅陵鎮和漳浦縣古雷半島之間，三面臨海，是福建省重點的海水漁業養殖區，主要養殖方式有筏式養殖、插桿養殖、漂浮結網式養殖，測區北面為高山，南面為沙灘、礁石和養殖區，地勢起伏大，地貌類型多樣，如圖2所示。由于港口的快速發展，港區海圖及陸域要素的及時更新為船舶的安全航行提供重要保障，但是采用常規測量方式效率低下，特別是港區養殖遍布，測量船舶無法進入，為測量船舶的安全航行造成威脅，屬水深測量和陸域地形測量的高難度作業區[3]。

通過免像控航測系統，能夠解決海上養殖區像控點布設的難題，通過POS系統輔助航空攝影測量獲取高精度三維位置和姿態信息，實現免（少）像控高精度成圖，獲取海上養殖區范圍和陸域地形數據，為水深測量測線布設提供準確參考，極大地提升了海圖測繪的效率和安全性。

2.2 工程實施

本次試驗項目測區面積3.72 km2，航測面積約4.2 km2 ，為了在高低平潮約90 min時間內一個架次飛完所有面積，選擇縱橫CW-10C無人機航測系統。航線設計各參數為：焦距36 mm、像元大小4.52 um、幅面大小7 952×5 304像素、地面分辨率4 cm、相對航高309 m、航向重疊度80%、旁向重疊度70%、基線234 m、航線間隔252 m、航線數量32條、航線總長度53 km、航線方向與潮水漲退潮方向平行。具體參數見表2，技術流程如圖3所示。

2.3 方案設計和航空攝影

無人機航測方案設計是航測外業的關鍵環節，主要包括任務方案制定、地面分辨率及航高設計、航線規劃等。根據任務要求、試驗區位置及無人機飛行安全，設計航攝任務的具體參數和無人機進場點和離場點，航攝時間選擇晴朗，微風云少，陽光充足的天氣，適合無人機進行航攝作業。本次航拍日期為2020年7月8日，飛行高度為309 m，共飛行1個架次，飛行面積為4.2 km2，航測比例尺擬設1：1 000。

航攝影像成像條件較好，滿足影像清晰，層次豐富，反差適中，色調柔和，影像上未出現云、云影、煙、大面積反光、污點等缺陷;能辨認出與地面分辨率相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。

外業成果資料通過武漢訊圖GodWork-FlyChecker天工無人機飛行質量軟件進行詳細的飛行質量檢查。根據低空數字航空攝影規范，軟件對像片重疊度，像片旋偏角，航高保持，這三項做了檢查。本次飛行平均航向重疊度為77.2%、向重疊度為：67.5%、平均像片旋角為2.6°。

從飛行質量檢查報告可知，外業像片質量符合《低空數字航空攝影規范》（CH/Z 3005-2010）“7 飛行質量與影像質量要求”的有關規定。

2.4 檢查點測設

縱橫CW-10C免像控無人機航測系統包括后差分GPS系統、GodWork-FOC免像控航測后處理軟件系統，以航空影像、差分GPS信息為源數據，無需地面控制點，即可達到1：500航空攝影測量空三精度要求以及測圖精度規范要求。

由于實驗研究區多為養殖區和水域，水域面積較大導致像主點落水問題嚴重，為了檢驗數據精度，試驗開始前沿著岸線和海上養殖區采集比較明顯的特征點作為檢查點，檢查點選擇道路斑馬線角點、人工布設像控標志、岸線具有明顯色差的地物特征點處，采用GPS RTK平滑多次測量的方式，取平均值作為最終檢測坐標成果。此次試驗共采集陸域（島嶼）檢查點21個，水域檢查點17個，均為平高點。

2.5 空三加密和數據采集

空三加密指通過內定向、相對定向、公共連接點轉刺來構建空間三角網，并按嚴密數學模型進行區域整體平差[4]。空三平差前先對內業加密點進行檢查。此次航攝時間約60 min，航攝相片的曝光間隔約1 s，相鄰像片的同名像點位移0.3 cm，航帶間同名像點最大位移27 cm。

經GodWork-FOC免像控航測后處理軟件進行平差處理，此次試驗內業加密點平面最大中誤差為11 cm，高程最大中誤差14 cm，滿足《規范》對1∶2 000相對定向要求。生成的DOM和DEM如圖4所示。

3 精度分析評定

精度評定包含地理精度評定和數學精度評定兩方面[5]。地理精度評定采取外業巡視的方法對圖面地理要素的正確性及數據完整性、綜合取舍的合理性、接邊質量等進行檢查。數學精度評定采取野外實測檢查點并對比圖上同名點坐標，為檢測航測成果精度，對全路線進行抽樣檢測。機載POS系統輔助航空攝影測量技術免像控測圖關于絕對定向與區域網平差中基本定向點、檢查點的最大限值要求按《數字航空攝影測量空中三角測量規范》，見表3。

選取本次試驗中的38個檢查點，利用點位中誤差公式計算出各個檢查點的平面、高程中誤差方式進行，中誤差采用同精度檢測方法，中誤差計算公式為：

（1）

（2）

式中，M 為成果中誤差;n為檢測點（邊）總數;將實際檢測點與DOM、DEM數據分別進行比較，精度統計見表4。

結果所示，38組檢查點平面中誤差為0.113 m，高程中誤差為0.082 m，精度滿足1：1 000航空攝影測量要求。無人機航空攝影測量精度的誤差來源主要來自飛行系統姿態傳感器精度、定位系統精度、飛行高度和飛行速度[6]，為了提高航測精度，在機載傳感器滿足要求的前提下，需嚴格設計無人機飛行的速度和高度。

3 結 語

無人機航測技術的快速發展，特別是免像控技術的發展，通過硬、軟件結合的方式，為海岸帶地形測量、近海海洋測繪提供了一種新的外業數據采集作業模式和解決方案，降低了外業工作的勞動強度，大大提高了作業效率和外業作業安全，實際測量實踐表明，無人機航測系統可以滿足業務化生產作業的要求，具有較好的實用性，與常規測量相比較，有以下優點：

（1）測量精度高：通過試驗驗證，無人機免像控航測系統理論和實際精度都能夠滿足規范要求，無人機低空航攝平臺不受浪涌的影響，作業過程中姿態傳感器能夠保持良好的穩定性，而且可以搭載高精度數碼成像設備，分辨率達到厘米級。

（2）測區適應能力強：免像控無人機航測系統具有響應速度快、操作簡單，可以在較短時間內獲取航拍數據，并且采用免像控系統，對于海島、基巖海岸、養殖區范圍等難以施測得區域，采用免像控無人機測量，可以不受地形限制，極大提高了海域地形的測量效率。

（3）操作簡單可靠：無人機飛行操作自動化、智能化程度高，無人機能夠按既定航線自主飛行、拍攝，人工干預少，故障能夠自動診斷警示，便于培訓和掌握[7] 。

隨著無人機航測技術研究不斷深入，免像控系統進行產業化應用推廣，必將改變長期以來無人機航測嚴重依賴地面控制點的情況，將對無人機航空攝影測量帶來深遠影響。免像控無人機航測系統仍然具有很大的性能提升空間，通過采樣頻率的提高和姿態傳感器的精度優化[8] ，免像控航測系統才能夠適應更精細的地形測量要求。

參考文獻

[1] 郭忠磊，翟京生，張靚，辛憲會，閘旋.無人機航測系統的海島礁測繪應用研究[J].海洋測繪，2014（04）.

[2] 雷伊娉，李學恒，雷靜，劉雯婷.基于無人機平臺的海域監管關鍵技術及其應用[J].海洋開發與管理，2019（12）.

[3] 蔚廣鑫，洪建勝，王偉斌.無人機激光測量技術在灘涂地形測量中的應用初探[J].應用海洋學學報，2017（01）.

[4] 張凱，張好運，盧旭升，游畫，薛彬，翟京生.無人機海島礁航空攝影測量技術應用[J].測繪通報.2018（09）.

[5] 廖曉和.無人機航測技術在海產養殖證據保全中的應用[J].城市勘測，2020（03）.

[6] 閆靜，張彩云，張永年，李雪丁，張寧，江山，商少凌.基于無人機遙感技術的港灣養殖區監測[J].廈門大學學報（自然科學版），2016（05）.

[7] 董國紅.輕小型無人機POS系統海島礁無控制測圖技術研究[D].遼寧工程技術大學，2015.

[8] 李亞東，賈俊強，劉會賓，王曉彤.免像控無人機在河道大比例尺測圖中的應用[J].水運工程，2019（S2）.