地形圖測繪工作自動化中的無人機技術探析

郭 琦，游紹彥，王寶光，李亞楠

（長治職業技術學院 山西 長治 046000）

0 引言

無人機攝影測繪、遙感等新技術已被廣泛地應用于地理信息、災害監測和測繪等領域。在工程測繪中，利用航測技術可以克服傳統的地形、天氣、人為因素等問題。在復雜的礦山、鐵路、山區等環境條件下，可以減少地形圖測繪的誤差，提高精度和工作效率。由于航空攝影技術在地形圖上的應用日益普遍，因此，在工程施工中，測繪人員必須具備專門的測繪技術，對數據進行分析和處理，確保所獲取的數據能夠真實地反映出該地區的整體狀況，減少環境因素對地形圖數據采集的影響，保證無人機技術的科學性和有效性。

1 無人機測繪技術的影響因素分析

1.1 航線規劃

無人機的飛行高度可以保持很好地穩定，但是在某些特定的區域，高度就會變得很低，這就導致了地面的分辨率會變得很低。如果測量范圍內的海拔超過了一定的標準，那么畫面就會變得很模糊，這就導致了飛行路線的設計必須要考慮到地形，才能精確地計算出無人機的飛行高度。

（1）對于工程測繪任務所在地區的邊界進行明確，尤其是一些地形復雜度較高的地區，如林木密集地區、丘陵地區等，也需要注意邊界校核工作，這也是順利完成航線規劃的基礎保障。

（2）開展工程測繪工作時，還需要擴大數據采集范圍，這樣能夠有效避免影像變量過大的問題，提升數據整理結果的有效性。例如，找出工程測繪區域內的中心位置，以中心點和邊界之間的距離作為航測半徑，在此基礎上擴大10%～30%，提升測繪結果的精準度。

（3）根據工程測繪地區的復雜性，確定該區域航測時需要重點關注的內容，加大航測過程的記錄工作，為航測體系的持續優化奠定基礎。

1.2 像控點設計

通常情況下，會借助RTK 技術、航攝像控點的分布設GPS 網，而航攝像控點的基準點，需要多次進行校核，以確保定位結果的準確性。而且所在位置，也需要滿足易于測繪、易于引測、不易破壞等要求，從而提升布置內容的合理性[1]。

1.3 航測參數設計

（1）在同向上進行飛行的無人機，同向重合率需要超過60%，而旁向上進行飛行的無人機，旁向重合率需要超過30%。

（2）在航測過程中，要做好航測高度和速度控制，例如在傾斜方向進行測繪時，無人機的飛行高度必須在180 m 以上，無人機的速度必須保持在6～8 m/s 之間，同向重合率必須在80%以上，旁向重合率必須在50%以上。

1.4 測繪結果生成

完成上述工作內容后，就開始整理測繪成果，工程測繪成果大多采用專題圖，如交通圖、總平面圖、功能分區圖等，同時還采用地形圖、數據整理表格、監測數據趨勢圖等，提高數據整理的直觀性。以地形圖整理過程為例，在對比處理過程中，通過與初始圖形內容進行比對，生成相應的新圖形，從而提高地形內容變化結果的直觀性，滿足相應的使用需求。

1.5 無人機平臺影響分析

目前無人機探測技術有其優越性，但仍有許多問題有待解決。首先，由于大多數無人機體積較小，負載較輕，容易被風吹亂，因此在空中做各種姿態轉換，交疊角度起伏較大。其次，雖然畫面不是很大，但數量卻非常龐大。無人偵察機一般采用非常規單反相機，因為成像范圍較窄，為了清晰地觀察到所有數據，研究人員可以通過調整航向和側翼來保證，這樣在探測范圍內會出現更多的圖像，從而極大地阻礙了操作。這些情況都會影響測量精度，未來的無人機將會采用最新的科技手段進行改進，從而提高測試的效率和質量，同時還可以通過專業的程序保證數據的準確性，避免無人駕駛系統對測量結果的準確性造成負面影響。

1.6 無人機飛行時間的影響

無人機飛行時間的選擇要綜合考慮環境條件、天氣變化和太陽高度等因素，盡可能地選擇最佳的飛行季節，盡可能地減少地面覆蓋結構對拍攝效果的負面影響，同時還要保證充足的光照。如果這片區域內的高層建筑比較密集，或者是高度比較高的話，那么在下午兩點的時候就可以起飛了。

1.7 攝像設備的影響

相機本身的像素狀況與影像品質有很大的關系，像素愈大，影像愈清晰，反之，像素愈低，影像愈模糊。因此，在進行無人機飛行的過程中，必須要考慮到攝像機像素，才能保證拍攝的質量和效果。攝像機的聚焦曝光時間和圖像的清晰度有著很大的關系，在正式的航測之前，要根據具體的情況調整攝像機的對焦和曝光時間，在惡劣的環境下，應該盡量地延長曝光時間，提高圖像清晰度。攝像裝置本身的畸變也會影響到影像的清晰度，因此在測量前，一定要對影像進行精確的校正。

2 無人機航空攝影測繪技術關鍵工藝

2.1 DOM 工藝

DOM 處理的主要用途是在無人機航測完成后，采集各階段的數字影像數據，將其與標準數據對比分析，以校正失真，提高測繪準確度。DOM 技術也是通過在低空拍攝時，通過內部定向、相對定向、絕對定向三種方式進行定向，然后進行正射、拼接，獲得DOM 的最終效果。該工藝的具體流程如圖1所示。

圖1 DOM 技術工藝示意圖

2.2 空中三角測繪技術

空三加密經過像點連接、像控點量測、平差運算等過程，實現了空間三碼的自動產生。在確認外部控制室的檔案及攝像機檔案正確后，就可進行外部控制點的測繪。外部控制點的測繪是有專門的人和其他專家進行的。通常在進行空中三角測繪技術時添加了外部高程散點法。

2.3 數字劃線圖技術

數字劃線圖技術是在全數碼照相測繪的基礎上，對各測繪點進行一系列的測繪和計算，并將其與特定的功能相結合，從而達到測繪的目的。首先要確保測繪精度，并建立相應的數學模型，以確保數字化線路的繪制質量。

3 無人機測繪技術的應用實例

3.1 無人機測繪技術應用實例

針對地形、地物、居住區等復雜通視條件較差的地區，無人機全站儀對地形圖進行測繪。研究內容包括前期準備、外業航測、像控點測繪、內業成圖、外業調繪五個步驟。

在前期籌備階段，**鎮屬于黃土丘陵地形、黃土溝、梁、住宅區，工廠的平均海拔1150 m，最高1 190 m，最低1 107 m。為滿足精度需求，此次試飛計劃選用F200 型全畫幅SonyRX1RII 微型相機，其平面分辨率為7 cm，高度重疊80%，側面重疊60%。

3.2 無人機航攝像控點的布設作業

在無人機航測時，航攝像控點測量需要滿足兩方面要求：一是數量和精度，二是目標影像應當定位清晰。無人機測繪攝影技術具有飛行高度較低、較慢的特點，容易受到大氣升力和風力的影響，產生不均勻的重疊，因此，航攝像控點的設置和測繪提出如下要求：

在空三加密中，航攝像控點分布為平面點、高程點、高程檢查點三大類。這一工作重點是平面點，一些是檢查點，其布置要遵守原則：航攝像控點布設要在整個測區均勻分布，并布置在容易發現和辨認的地方，盡可能布置在地面上，比如在公路交匯處，在色彩劃分清晰的地方，方便準確定位；如谷歌圖像之類的現有圖像來確定有沒有較差的區域，比如森林或玉米田，這些區域應該在無人機起飛前噴灑石灰或其他可辨認的標記[2]。

F200 利用GPS 的PPK 后差動技術，能有效地降低航攝像控點的布設誤差，本次任務共布設了12 個測繪點，8個是基礎航攝像控點，4 個是檢查點。航攝像控點坐標的精確與否直接關系到整個測區的絕對定向精度，因此，在航攝像控點的測繪中，一定要使圓氣泡居中，并多次進行平差的測繪。此次以RTK 測繪3 次后的平均值為比較精確的坐標。

所選擇的影像控制點，應使影像清晰、易于辨認，尤其是影像邊緣的影像，必須清晰、準確，不能有任何異議，要有清晰的記號，例如：建筑朝向應注明是在東南方向，或在西北方向。

3.3 飛行實施

要全面、良好地開展航空三角測繪，必須確定測繪流程。遙感影像的高精度合成、平差等多種方法被用于航空三角測繪。在起飛前，要架設一個基站。基站可以架設在已知的位置上，如果沒有，就用RTK 來測繪。表1顯示了F200 的飛行攝影參數：

表1 F200 航攝參數統計表

在飛行過程中，所有的飛行參數都是正常的，飛行時的速度基本保持在60 km/h，保持平穩的飛行姿勢，滾轉和俯仰角偏離不超過5°。《低空數字航空攝影規范》規定，在CH/Z 3005-2010 中，相片傾斜度一般不超過5°，最大不超過12°，超過8°的片數不多于10%；在保證相片旋角不超過15°的情況下，單個旋轉角度不能超過30°，而在同一航線上，旋轉角度大于20°的圖像不能多于3個，旋轉角度超過15°的圖像數量不能超過10%[3]。

3.4 空三處理

空三加密是指以地面上的少量控制點為基礎，利用空間三碼對重疊圖像進行測繪。根據無人機測繪的基本原理，采用解析法對相片外部的方向元和加密點進行了求解。該測試采用了無人機管家2.0，并輸出精度報告，點云、DEM、DOM，空三影像結果及無失真圖像。利用VirtuoZo系統實現了空中三角測量，實現了對加密點的選擇、節點加密和模型的聯結。通過PATB，可以實現誤差的粗差和誤差計算，提高了測量精度。由于此次無人機是低姿態拍攝，所以全部加密點的選擇均由手工進行，因而在某種意義上加大了內部作業的難度。在整個測繪工作中，三邊形技術的應用是關鍵，它決定了最后的測量結果和地圖的精度。同時，根據航攝像控點的平面定位誤差，應及時調整定位，使其達到最大程度上的精度和合理性。

3.5 立體測圖

在進行了三次空中三角測繪工作后，將測量數據導入VirtuoZo 站點，形成三維模型和線段影像，進行圖像匹配、編輯和繪制線路圖。基于DLG 的三維DLG 資料，產生DEM資料，完成DOM。最后，根據1：2 000 地圖的實際測量結果進行綜合調整，保證了整個測量精度的最大化，提高了有關資料的準確率和及時性。利用空間前景軟件建立三維圖像，實現三維采編。本系統無須預先采集地形圖區域核線，可根據圖像重疊程度及外部方向要素不同，自動組合立體像對，生成最佳交叉角，提高地形圖高程精度；同時支持立體模型自動/人工轉換，實現無縫銜接，減少邊工和立體模型的選擇，提高了工作效率。完成外業調繪工作后，利用無人機采集到的地形圖進行整理[4]。根據圖式中的符號、字體、字體大小，結合外業調研結果進行分級、分色，形成最終結果。

3.6 精度檢測

無人機管家智能拼圖的空三成果，通過DOM 成果的精度檢驗，檢驗其是否符合1:1 000 地形圖測繪要求。

（1）控制點空三精度

在整個航測過程中，空三的精度直接影響到最終成圖的精度。空三精度質量檢查一般通過空三解算報告和立體采集檢查點來完成[5]。

（2）DOM 精度檢驗

將控制點、檢查點與DOM 套在一起，對DOM 精度進行檢驗，以確定1:1 000 DOM 影像精度是否滿足要求。

（3）采用GPS 實時動態測繪，采用800 多個隨機測繪點作為地形圖繪制過程中的檢查點，經檢驗，大部分平面位置誤差小于5 cm，高程誤差不超過0.15 m，精度滿足規范要求。

4 無人機低空地形圖測繪發展方向

第一，對地形圖控制是有序的。隨著地圖的不斷完善，低空無人機拍攝技術的推廣也日益普及，該技術的有序發展，使圖像的精度提高。在已有的測圖技術指導下，有序的測量控制技術應完成轉換，在導航系統的約束條件下，將其用于精細劃分，并在主觀條件與客觀條件許可的前提下，攝影時間進行設定，做好控制點的精確位置[6]。

第二，采用智能化的變形監控技術。在信息技術快速發展的支撐下，利用無人機進行低地飛行測量，可以將各種不同的測繪技術和應用技術融合在一起，從而達到對地面形體的智能化監控。當變形監控記錄偏差超過一定的限度時，數據處理中心將會進行相應的回應，協助技術人員結合實際狀況，制定有效的解決辦法[7]。

第三，地圖數據的抽取。無人機低空成像測量具有廣闊的應用前景，利用計算機圖像測量與遙感技術與其他傳感器緊密聯系，利用高分辨率移動攝影掃描儀、高分辨率遙感影像進行目標云測量、城市建筑測繪POS 等，可將這些數據存儲在單一坐標系統中。利用相關攝影與遙感技術，對點云特征點的構造進行逐行判定，確定三維點的特征點，進行色彩繪制與數據采集[8]。

5 結語

綜上所述，無人機航攝測量技術在地面測繪行業的發展中有著舉足輕重的地位，提高了資料的準確度和及時性。在實際運用中，應繼續加大無人機航拍技術在地形圖測繪的研發力度，針對目前地圖繪制中出現的問題，能夠使這些問題進行針對性的處理，從而提高測量資料的精確度和技術運用的有效性。