基于無人機航測大比例尺制圖研究

郭結瓊，王法景

(1.青島市城市規劃設計研究院，山東 青島 266071；2.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

無人機航測技術作為新型測繪產品的生產手段，在傳統數字測圖、正射影像生產等方面有其傳統測量不可替代的優勢[1-3]。利用無人機生產制作4D測繪產品、三維建模成為行業的熱門話題。本文基于傳統攝影測量技術，結合國家鄉村振興戰略無人機航測正射影像生產、大比例尺制圖工程實施實例，利用大疆系列無人機易操作、可靠度高且具備實時差分、免像控的綜合優勢，采用達北公司研發的智行平民化無人機智能操作系統—“智行”航線規劃軟件進行前期數據采集，采用兩種不同方案進行大比例尺航測正射影像、地形圖生產。第一種內業生產方案采用Pix4D軟件對航飛數據進行空三測量，得到數字表面模型(DSM)和數字正射影像(DOM)，經過濾波和平滑處理后，得到數字高程模型(DEM)，再將空三成果恢復立體，用立體采集軟件EPS進行地形圖采集，得到1∶1 000數字線化圖(DLG)，完成大比例尺地形圖測量工作。利用ContexCapture Center(CC)、清華山維EPS作為內業生產的第二套方案，并在精度方面與前者進行比較。實驗結果表明，雖然后者普及率不如前者，但能得到更高的測量精度，可以作為無人機航測內業處理的有效補充。

1 影像獲取及預處理

項目所在地溝壑縱橫，高差相對較大，不利于傳統全站儀、RTK等手提式的儀器進行現場實測。綜合當地實際情況，本項目采用目前國內先進的大疆無人機航測遙感系統來進行測繪。依據項目實際要求，所提供的正射影像需要優于1∶2 000的分辨率。針對山區信號差，無法加載地圖這一問題，本項目采用離線地圖的方式進行，在信號好的地方提前將測區離線地圖數據加載，確保在信號較差的地方依然能完成作業，獲取完整的無人機遙感影像。

1.1 影像數據獲取

結合本次項目工程中的實際地形特點，大面積正射影像生產時，將測區劃分為4個測區，最后通過軟件進行相關影像鑲嵌。為保證成圖質量，提前制作無人機標靶作為像控點并利用RTK進行像控點的坐標采集，同時選擇少量作為檢核點對成圖質量進行檢測。

1.2 飛行質量檢查

在外業飛行過程中，作業人員通過地面站實時監測無人機飛行狀態，確保外場飛行安全和數據完整。在外場數據采集完成后，可現場通過智行軟件檢圖功能對本次采集的影像數據和POS數據進行質量檢查，確保相片有效范圍覆蓋整個測區。

1.3 空三解算

項目正射影像部分分別采用ContexCapture Center(CC)和Pix4D的方式生成測區點云數據、數字表面模型DSM和數字正射影像圖DOM。由于空三匹配中連接點線性關系、迭代性等，空三報告精度并不能很好地代表測圖精度，因此應先檢查點精度，才能進行地形圖DLG生產作業。圖1為正射影像。

2 兩種地形圖生產方法

傳統的數字線劃圖DLG生產采用如VirTuoZo、JX-4等在立體像對上進行采集。但此方法存在專業性強、數據采集速度慢等缺點。因此本文結合現有的軟件優勢，采用Pix4D和CASS相結合、CC+EPS相結合的方式獲取測繪地形圖，并對兩種成圖結果進行了檢驗，對兩種方法的成圖精度進行了分析[4-7]。

圖1 正射影像

2.1 Pix4D、CASS相結合生產地形圖

通過Pix4D軟件生產高分辨率的正射影像圖,利用CASS軟件加載數據量比較大的優點,將Pix4D軟件生產的高分辨率正射影像數據加載到軟件繪圖界面,已加載的高分辨率正射影像圖為基礎，依據國家基本比例尺地形圖圖示和外業測圖規程等規范要求對任務區域進行數字化成圖工作，實現測區內建筑物、道路、植被等各類地物地貌的矢量化;完成測區整體地物繪制后添加采集到的高程數據，并在高程點的基礎上對需繪制等高線的區域構建三角網、生成等高線；完成成圖工作后對整個任務區的成果進行綜合的檢查、圖幅整飾等處理,最終得到完整的任務區大比例尺地形圖成果。

2.2 CC、EPS相結合生產地形圖

首先利用CC傾斜攝影測量數據處理軟件對獲取的高分辨率、高重疊度影像數據進行空中三角測量，然后經過影像的密集匹配、三角網構建和紋理映射等處理，最終根據需要生成測區真正射影像等；然后以EPS三維測圖系統將獲取的DOM和DSM數據轉化為EPS可識別的格式,實現EPS中正射影像和三維模型的加載，通過二維和三維兩種數據進行二三為的聯動操作，進行任務區域大比例尺地形數據采集工作。

在數字化成圖的過程中，通過對三維窗口中的實景三維模型的高程信息進行合理采集，可以直接得到測區內分布合理的高程點數據，在高程點的基礎上構建三角網,并進一步繪制生成所需等高距的等高線。最后對整個任務區域的數字化成果進行綜合的檢查、整飾以及拓撲關系質檢等相關處理,即可輸出得到最終的大比例尺地形圖成果。

3 精度分析

兩種方法在進行正射影像生產、地形圖制作等有其各自的優勢。為了比較兩種成圖方案的成圖精度，選擇測區內之前布好的像控點標靶5個檢核點對兩種測圖方法進行精度評定，Pix4D+CASS的測圖精度如表1所示，CC+EPS測圖精度如表2所示。

表1 Pix4D+CASS測圖精度評定

表2 CC+EPS測圖精度評定

依據低空數字航空攝影測量內業規范和1∶500，1∶1 000，1∶2 000 地形圖航空攝影測量內業規范等要求。從表1和表2可以看出，上述兩種成圖方案都能滿足大比例尺測圖的規范和要求[8-10]。通過兩種方法的測圖進行對比，在平面精度方面，采用Pix4D+CASS成圖方案和CC+EPS成圖方案基本一致，均保持了很好地測圖精度，而在高程精度方面，CC+EPS測圖精度要顯著優于Pix4D+CASS的測圖方法。分析其原因，主要是EPS能夠三維可視化，這是CASS二維所不能達到的，三維能夠顯著改善地物的辨識度，提高測圖精度。

4 結語

本文基于達北“智行”系列無人機航測系統，結合實際航測正射影像、地形圖大比例尺生產案例為依托，利用“智行”航線規劃軟件進行前期數據采集，利用CC+EPS、Pix4D+CASS兩種方式進行內業數據處理，獲取正射影像與大比例尺地形圖。結果表明：兩種方法能夠高質量完成大比例尺測圖的要求，Pix4D和CASS方案較為常用，能降低生產成本、使用效率高；CC和EPS方案相比較前者具有更高的測量精度，尤其是高程精度方面，但是效率相對較低。