無人機攝影測量技術(shù)在大比例地形圖中的應(yīng)用

賈先通

（山東省國土測繪院，山東濟南 250000）

近幾年開展的大比例地形圖項目中，無人機攝影測量技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，具有作業(yè)效率高、運行成本低、產(chǎn)品豐富等特點。無人機搭載新型攝影測量系統(tǒng)，能夠提高影像地面分辨率和影像成圖效果，很好地滿足大比例地圖生產(chǎn)精度要求。本文結(jié)合實例闡述無人機在大比例地圖生產(chǎn)的技術(shù)流程，為無人機在大比例地圖生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

1 無人機攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢

（1）成本低、易維護。

無人機價格低廉，從幾萬到數(shù)十萬不等。無人機具有售后服務(wù)全天候、易于維護和運輸、能夠快速投入生產(chǎn)任務(wù)等優(yōu)點。

（2）測繪工作受限條件少。

無人機航攝不受地形阻礙，能夠在空中全天候作業(yè)，且視角多變、作業(yè)范圍大、作業(yè)效率高、數(shù)據(jù)更準確，能夠有效保證影像質(zhì)量。

（3）測繪立體感直觀。

應(yīng)用無人機攝影測量技術(shù)，經(jīng)過外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)軟件處理可以得到目標的立體數(shù)據(jù)，形成數(shù)字三維模型，滿足測繪實際需要。

（4）測繪數(shù)據(jù)多樣性。

利用無人機攝影測量技術(shù)獲得外業(yè)測繪數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)真實可靠。通過多定量分析，可以大范疇監(jiān)測地區(qū)的各類數(shù)據(jù)信息，結(jié)合傳統(tǒng)試點信息和獲得的信息，進而獲得全部監(jiān)測地區(qū)的信息[1]。

2 無人機攝影測量技術(shù)在大比例地形圖中的應(yīng)用

2.1 項目技術(shù)路線

無人機設(shè)備體積小、工作效率高，能夠快速獲得高清、準確的影像，后期通過專業(yè)的空三處理軟件進行影像匹配、拼接等工作，能夠快速生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型及數(shù)字線化圖等4D產(chǎn)品，較好地滿足業(yè)主需求。結(jié)合山東某縣城城區(qū)1∶1 000大比例地形圖項目，分析生產(chǎn)流程。

某縣城區(qū)1∶1 000地形圖生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 某縣城區(qū)1∶1 000地形圖生產(chǎn)流程

2.2 測區(qū)概況

2021年，山東省國土測繪院承擔(dān)山東某縣城城區(qū)大比例地形圖測繪項目。為保障地形圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)實性，結(jié)合省市縣更新機制，開展縣城區(qū)1∶1 000地形圖更新；縣城處于平原地帶，平均海拔高度約50 m，適合無人機攝影測量作業(yè)。本次測區(qū)航攝面積約22.7 km2，需要完成航空攝影、空三加密和DEM、DOM、DLG制作等任務(wù)。

2.3 航攝準備工作

（1）飛行規(guī)劃和設(shè)備調(diào)試。

無人機攝影測量技術(shù)項目中，與業(yè)主充分溝通項目需求，確定項目使用的坐標系、影像分辨率、成果格式等；技術(shù)人員需要對測區(qū)周圍進行影像判別和實地勘測，掌握測區(qū)信息，如當?shù)靥鞖鈿夂颉⒏邔咏ㄖ铩⒏邏壕€、河流等信息，針對外業(yè)獲得的信息，制定無人機飛行的詳細規(guī)劃及應(yīng)急事件處理方案。

使用無人機設(shè)備和GPS設(shè)備前，需要對儀器設(shè)備進行校驗。飛行前一天，準備無人機設(shè)備校驗工具，如鋼尺、螺絲刀、鉗子、備用電池等。

（2）像控點選取方式。

①需要確保像控點的目標影像清晰可見，有利于影像的判別和立體采集。

②像控點可覆蓋的面積廣，一般布設(shè)在航向和旁向的6片或5片重疊范圍內(nèi)，位于自由圖邊、待成邊和其他方法成圖的圖邊控制點，布設(shè)在圖廓線外。

③測量像控點時，需要拍攝2～3張像控點的實時照片，包含1張像控點近景照片和1張像控點遠景照片。

（3）像控點測量方法。

本測區(qū)共布設(shè)54個像控點。進行兩次測量，保證數(shù)據(jù)真實性，測量1次需要20 s，且兩次測量間隔10 s；現(xiàn)場比較兩次測量結(jié)果，平面精度和高程精度均不超過5 cm；精度超限時，立即重新測量1次。

測量結(jié)束的第一時間將像控點數(shù)據(jù)從電子手簿傳輸至電腦，確保數(shù)據(jù)不丟失，同時將數(shù)據(jù)備份至專用U盤。

（4）飛行航線設(shè)計。

①無人機影像重疊度。

依據(jù)國家航攝規(guī)范，像片航向重疊度為56%～65%，不低于53%；像片旁向重疊度為35%～50%，不低于15%。本項目測區(qū)位于縣城城區(qū)，地形整體較平坦，建筑物較密集，結(jié)合本測區(qū)業(yè)主的實際需求，重疊度標準為航向重疊度65%、旁向重疊度35%。

②無人機飛行高度計算。無人機飛行高度指無人機與測區(qū)地面的相對高度。

式中：H——無人機與地面的相對高度（m）；f——無人機鏡頭主距（mm）；GSD——地面分辨率（cm）；a——無人機像元尺寸（μm）。

本次航拍采用的無人機鏡頭主距為35 mm，地面分辨率為5 cm，通過計算得知本測區(qū)無人機飛行高度為238 m。

③飛行航線設(shè)計。常用的無人機航線設(shè)計方案有兩種，分別為“S”形航線和構(gòu)架線。本測區(qū)航線根據(jù)實際生產(chǎn)要求，按照東西方向設(shè)計，采用“S”形航線。本次任務(wù)共18條航線，拍攝航片828張。

2.4 航攝計劃執(zhí)行

根據(jù)制定的測區(qū)航攝計劃，選擇適宜的天氣和合適的起飛地點，檢查無人機設(shè)備并控制起飛，操作員實時控制無人機，觀測無人機的電池狀況是否健康、飛行速度是否在計劃內(nèi)、飛行高度差是否超限、飛行姿態(tài)是否合理等，確保每次飛行任務(wù)安全完成。

每次航攝任務(wù)結(jié)束，必須填寫航攝飛行記錄表；核查像片彎曲度、測區(qū)范圍等要求，進行詳細的像片質(zhì)檢，不符合規(guī)范的像片立即補充拍攝或重新航拍。

2.5 數(shù)字正射影像圖制作

（1）空三加密。

采用無人機配套的實景三維建模軟件處理數(shù)據(jù)，根據(jù)POS文件建立的航帶，設(shè)定像點殘差的限值以及控制點的權(quán)值，通過光束法進行空中三角測量，完成區(qū)域網(wǎng)平差，由軟件生成空三報告。

（2）制作數(shù)字正射影像圖。

利用滿足精度要求的空三成果，設(shè)置提取格網(wǎng)間距，密集匹配點云，生成三維點云文件，依據(jù)匹配的點云生產(chǎn)1∶1 000數(shù)字高程模型（DEM）；結(jié)合空三成果，采取自動和人工結(jié)合的方法，通過數(shù)字微分糾正方式得到單片正射糾正影像，編輯單片正射糾正影像的鑲嵌線，生產(chǎn)1∶1 000數(shù)字正射影像圖（DOM）[2]。

2.6 數(shù)字線劃地圖（DLG）數(shù)據(jù)采集和處理

（1）定向建模和立體測圖。

經(jīng)過影像數(shù)據(jù)內(nèi)定向、相對定向、絕對定向步驟，確保精度符合國家規(guī)范，利用Virtuo ZoNT全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)進行測區(qū)數(shù)據(jù)采集。作業(yè)員對容易判讀的地物、地貌要素，如道路、河流、居民地等數(shù)據(jù)，進行全部采集；對難于判讀的地物，如陰影部分等，進行內(nèi)業(yè)標記，交由外業(yè)進行實地核查。對立體模型測圖采集的數(shù)據(jù)進行拼接，實現(xiàn)上圖接下圖、右圖接左圖，確保范圍內(nèi)無空白情況，按照標準條幅進行裁切，本測區(qū)最終獲得95幅1∶1 000大比例尺地形圖。

（2）外業(yè)調(diào)繪及補測。

外業(yè)調(diào)繪確保地形要素的完整性和準確性，調(diào)繪圖紙干凈整潔，筆跡清晰可見。合理取舍地物，針對無法判讀以及新增的地物，如水壩、新建的房屋等，利用GPS和全站儀等儀器補測。

（3）數(shù)據(jù)編輯及外業(yè)質(zhì)檢。

數(shù)據(jù)編輯將立體測圖成果和調(diào)繪成果進行要素數(shù)據(jù)的圖形編輯和屬性輸入，輸出國家標準的DWG文件、地理信息文件和制圖文件，隨機抽取20張地形圖，占所有圖幅的21%，安排質(zhì)檢員對地形圖進行外業(yè)核查，重點檢查居民地要素注記、高程點注記等，確保地圖三要素不丟不漏；隨機檢查每幅圖的地物點坐標和高程數(shù)據(jù)。被抽查的地形圖中，平面誤差為3.5～23.6 cm，高程誤差為2.5～17.5 cm，在規(guī)范規(guī)定的限差要求內(nèi)。

1∶1 000地形圖局部如圖2所示。

圖2 1∶1 000地形圖局部

（4）成果整理、驗收及歸檔。

整理空間坐標系、位置精度、屬性精度、完整性、技術(shù)設(shè)計書等電子或紙質(zhì)資料，按照目錄匯總，提交業(yè)主檢查驗收，驗收合格后歸檔資料。

3 無人機技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和思考

針對部分條件較差的測區(qū)，如山區(qū)、林區(qū)、稠密建筑物群等，無人機攝影測量技術(shù)能滿足其生產(chǎn)要求。無人機具有多個鏡頭，能夠從不同角度、不同時間、不同高度保證像片的質(zhì)量，使數(shù)據(jù)更全面和精準。目前，市面上的無人機系統(tǒng)帶有自動校驗功能，能夠降低測繪作業(yè)帶來的各種誤差，如測量粗差、精度誤差等。此外，生產(chǎn)商提出利用邊緣現(xiàn)場補償相機姿態(tài)角度，能夠直接替代傳統(tǒng)的軸云臺，顯著減輕無人機搭載壓力，使無人機續(xù)航更持久，更好地適應(yīng)無人機攝影測量技術(shù)的需要[3-6]。

無人機技術(shù)能夠為其他行業(yè)的生產(chǎn)帶來便利，利用航拍的新角度、新視野給各行業(yè)更直觀的實景展示，如城市交通管理、地質(zhì)災(zāi)害、農(nóng)業(yè)、電力等行業(yè)。發(fā)生自然災(zāi)害時，無人機技術(shù)能夠及時為受災(zāi)地區(qū)提供準確的影像資料；無人機能夠攜帶遠紅外夜拍鏡頭，對污染地區(qū)實現(xiàn)全天候監(jiān)測；應(yīng)用無人機能夠提高農(nóng)藥噴灑效率，減少其污染范圍等。無人機技術(shù)發(fā)展前景寬廣，能夠帶來較大的社會價值和經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

無人機攝影測量技術(shù)作為測繪的新方法，與傳統(tǒng)測繪方法相比，其效率更高、數(shù)據(jù)更多樣，能夠滿足大比例地形圖的生產(chǎn)要求。隨著無人機的硬件和軟件日益完善強大，無人機技術(shù)能夠在更多的行業(yè)發(fā)揮更重大的作用。