基于固定翼航測無人機的城市建成區地形圖快速更新

杜沖　趙慧　朱磊　李楠

摘要：城市建成區是城市建設發展在地域分布上的客觀反映，是智慧城市建設的主要區域。針對城市建成區地物信息豐富、區域面積較大等特點，提出利用國產固定翼航測無人機獲取城市建成區高分辨率影像數據，完成建成區1∶500大比例尺地形圖快速更新的技術方法，并對成果精度和作業效率進行檢測對比。結果表明，該方法在城市建成區地理信息快速更新中具有較好適用性。

關鍵詞：固定翼航測無人機；城市建成區；實景三維模型；大比例尺地形圖

中圖分類號：P235.2文獻標識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.009

0引言

智慧城市建設可以提升城市發展質量和管理水平，是城市信息化深入發展的必然趨勢。地理信息數據是建設智慧城市的基礎數據［1］，通過構建城市地理信息庫，擴展智慧城市時空信息云服務平臺，能有效推進城市智慧化成長，輔助城市的信息化建設。地理信息數據具有較強的現勢性需求［2］，隨著城市建成區規模的快速發展以及信息化建設步伐的加快，作為地理信息數據獲取重要手段的無人機遙感技術的應用越來越廣泛。

低空無人機遙感技術具有機動靈活、高分辨率、高時效性和運行成本低等優勢［3］，利用無人機獲取小面積傾斜影像構建實景三維模型的技術已相對成熟［49］。在利用無人機獲取影像數據的進一步應用方面，一些學者探討了利用小型消費級旋翼無人機進行大比例尺地形圖制作的技術方法［1012］，以及無人機在土地儲備分析、古建筑數字化、露天礦山動態監測、地質災害分析、水電工程應用等不同場景的具體應用［1318］，豐富了無人機在地理信息領域的深度融合應用經驗。

城市建成區是城市建設發展在地域分布上的客觀反映，是智慧城市建設的主要區域，具備較完善的居住及市政公用設施，區域面積相對較大。建成區內高層建筑較多，地物類型復雜多樣，在進行地形圖更新作業時，傳統的低空小型旋翼無人機已無法滿足高效率任務需求。針對城市建成區大比例尺地形圖更新時作業面積大、數據現勢性需求高的特點，本文探討基于國產垂直起降固定翼航測無人機的高精度地形圖更新方法，最后通過工程實例對成果精度和作業效率進行了檢測對比。

1固定翼航測無人機系統

選用國產“大鵬”CW30垂直起降固定翼無人機航攝系統作為城市建成區影像數據獲取平臺。該系統由無人機、數碼傳感器、地面監控系統、數據傳輸系統及配套軟件等組成。CW30無人機為雙尾撐布局、后推式油電混動垂直起降固定翼無人機，具有全自主飛行、航時長、速度快、載荷大、搭載設備多元化、結構穩定、可靠性高等特點。其性能參數見表1。

CW－30搭載的CA－503全畫幅傾斜相機是目前在中小型無人機上應用像素較大的，最小曝光間隔達0.6s，集成4個傾斜鏡頭和1個正射鏡頭，下視焦距為35mm，傳感器尺寸為35.9mm×24mm，總像素達2.1億。相對于小型旋翼無人機續航時間短、飛行姿態不穩定以及作業面積較小等不利特點［19］，CW30無人機的續航時間長、飛行速度快等優勢，可滿足城市建成區地形圖更新時的數據獲取任務需求。

2建成區大比例尺地形圖更新方案

采用CW30無人機獲取建成區傾斜影像數據，基于此創建實景三維模型，并在此基礎上進行大比例尺地形圖測圖工作，完成建成區地形圖數據獲取與更新。具體流程為：

（1）數據獲取。在獲取地理信息數據時，首先利用CW－30無人機專業航線設計軟件進行建成區航線設計。根據相關規范要求，在進行航線設計時，需要對作業區進行一定程度的范圍外擴，以保證三維模型完整覆蓋攝區。外擴距離計算公式如式（1）所示：

L=h×tanθ （1）

式中：L為外擴距離；h為航高；θ為傾斜相機的傾斜角度。

（2）數據處理與建模。無人機航飛作業完成后，下載影像數據和機載POS數據，利用地面基站進行POS差分解算，得到影像外方位元素。采用區域網布點方案布設像控點并測量。使用專業三維建模軟件生成建成區實景三維模型，并得到最新的正射影像圖成果（DOM）。

（3）更新建庫。利用生成的實景三維模型進行三維測圖，結合已有數據資料和最新DOM成果完成大比例尺地形圖數據更新，并對成果質量進行檢測，最后進行修補測量與編輯入庫。

3工程實例

試驗區域位于山東省日照市莒縣。為支持莒縣城區基礎地理信息數據更新工作，利用CW30垂直起降固定翼無人機航攝系統，快速獲取莒縣建成區面積約65.7km2分辨率0.05m的傾斜影像，基于此構建實景三維模型，完成成圖比例尺為1∶500的城區地形圖數據更新工作。試驗區已有數據和需要更新范圍如圖1所示。

3.1數據任務設計

使用CW30無人機地面站控制軟件CWCommander進行航線任務規劃、狀態姿態檢查、參數設置及任務執行等操作。為滿足基礎地理信息數據高精度更新要求，旁向重疊度和航向重疊度分別按75%、80%設計，分辨率按0.045m設計，飛行絕對高度為349m，可滿足城區航拍作業的安全高度要求。根據攝區形狀特點，將攝區劃分為1個分區，航線方向按照東西方向敷設。

3.2數據獲取與預處理

（1）無人機飛行實施。在確定攝區范圍及分辨率要求之后，執行固定翼無人機獲取莒縣建成區傾斜影像數據任務，經過設備調試、空域申請、航飛作業、數據下載等步驟，獲得傾斜影像數據和對應的POS數據。

（2）數據下載及預處理。飛行任務結束后，下載獲取的原始影像數據及機載POS數據。利用CW30無人機POS解算軟件JoPPS，將地面基站數據與機載POS數據進行差分解算，得到獲取影像數據的外方位元素。

（3）數據質量檢查。查看獲取的影像數據的清晰度、分辨率及飽和度情況，查看有無大面積云、煙、反光、污點等情況，并確定影像質量是否影響后序生產。利用專業框幅式航空攝影質量自動檢查系統軟件，檢查航線重疊度、彎曲度、覆蓋度等飛行質量參數。

3.3像控點布設與測量

參考相關標準和規范，按照不高于10000像素間隔均勻布設像控點，像控點不能有明顯地物遮擋，需保證相鄰攝站的照片均能看到像控點。在確保模型精度的情況下，共布設像控點585個，用于空三加密和檢測空三精度。采用基于SDCORS系統的網絡RTK技術進行像控點測量，控制點及檢測點測量嚴格按相關規范要求進行，并制作點之記。

3.4三維模型構建

利用專業三維建模軟件，采用自動化建模技術制作完成實景三維模型并生成相應范圍的DOM。主要步驟包括特征點提取、相對定向、添加控制點、絕對定向、模型創建和修飾等。試驗區三維模型瓦片大小設置為250m×250m，輸出所需瓦片共計1618個。三維模型成果截圖如圖2所示。同時，輸出數字正射影像成果，格式為*.tif+*.tfw，成果分辨率為0.05m。圖2實景三維模型成果截圖劃定8個檢測區，對三維模型成果精度進行檢測。以某檢測區為例，用網絡RTK實測30個地物點，并與實景三維解析同名點進行精度對比，統計結果見表2，滿足相關規范要求［19］，可用于后續地形圖更新生產。

3.5地形圖數據更新

在原有地形圖數據及生成的實景三維模型成果上，利用專業地理信息工作站軟件中進行裸眼三維測圖，完成大比例尺地形圖更新。

具體步驟為：

（1）基于新制作0.05m分辨率的DOM，疊加已有1∶500比例尺數字線劃圖（DLG）數據，通過內業判讀方式，發現變化區域。

（2）基于實景三維模型成果，采用裸眼立體采集的方式對已有數據范圍內的變化區域或表達錯誤要素進行修補測更新；對沒有數據的新增區域，根據實景三維模型進行全要素數據采集。

（3）對內業無法判讀的地物，通過外業調繪進行實地核實確認，最后對地形圖數據進行修改整飾。

（4）對完成更新的DLG數據庫進行數據質量檢查，包括更新采集過程與數據成果結構及精度等，最終完成莒縣建成區1∶500地形圖最新工作。更新后的數據成果截圖如圖3所示。

3.6精度檢測

分區域抽取檢測點進行精度檢測。以某區域為例，均勻散點平面點及高程點各50個，經過全野外實測檢核，對同名點進行精度比對，結果如表3所示。經對比計算，平面位置最大誤差為0.369m，最小誤差為0.014m，中誤差為0.096m；地物點高程最大誤差0.353m，最小誤差0.042m，中誤差0.105m，所生產的數字線劃圖數據具有較高精度，滿足地理信息數字成果相關規范要求［20］。

3.7作業效率對比

此試驗區地形圖更新作業效率主要受數據獲取效率的影響。將CW30系統與某小型航測型旋翼無人機系統、某國產大型傾斜航攝儀系統做比較，在相同作業面積和數據獲取參數要求下，充分考慮天氣、空域等其他因素影響，對其他2種航攝系統作業時間值進行修正，得到作業效率對比情況（表4）（其中，根據作業面積及分辨率要求，大型傾斜航攝儀選用直升機作為搭載平臺進行設計）。從表4可知，此大型傾斜航攝儀在單位時間內完成數據獲取面積最大，工作效率最高。但其飛機租賃費等成本花費往往比無人機系統高很多。

定義獲取單位面積的數據所需費用和時間的乘積值為其作業效率的參考值，稱為“單位效率費用值”，其計算公式見式（2）。

E=C／S/t （2）

式中：E為單位效率費用值（萬元·h/km²）；C為任務完成費用值（萬元），在不考慮設備折舊情況下，其值為人工費用、飛機租賃費用等的和值；S為作業區面積（km²）；t為飛行作業時間（h）。

根據實際使用經驗值可得此旋翼無人機系統和大型傾斜航攝儀系統在此試驗中的預估架次和工作周期，進而得出其任務完成預估費用。據式（2）可得3種系統的單位效率費用情況。經計算可知，在進行莒縣建成區地形圖更新數據獲取任務時，CW30無人機系統單位效率費用值最低，能達到經濟效益和工作效率的最佳結合，具有較好的工程實施適用性。

4結語

通過日照市莒縣城區1∶500地形圖更新實例，分析了利用國產垂直起降固定翼無人機CW30獲取面積較大區域的傾斜影像數據，并構建實景三維模型用于高精度地理信息快速更新的技術流程，最后對更新成果進行了檢測。相對于小型旋翼無人機，CW30航測無人機系統具有飛行姿態更加穩定、續航時間更長等優勢；相對于大型航攝儀，CW30系統具有操作簡單、作業成本較低的優勢。該技術方法在城市建成區地形圖數據快速獲取更新時具有較高的效率和較好的適用性。生成的數據成果精度較高，可滿足智慧城市重要區域基礎地理信息數據獲取及數據更新的需求，對智慧城市建設的具體實施具有參考意義。

參考文獻：

［1］楊軍.智慧城市建設中測繪地理信息的作用探析［J］.智能建筑與智慧城市，2021，296（7）：4243.

［2］馬照亭，劉勇，沈建明，等.智慧城市時空大數據平臺建設的問題思考［J］. 測繪科學，2019，44（6）：279284.

［3］邵軒.基于無人機的城市大比例尺基礎地理信息數據快速更新方法［J］.測繪通報，2017（S1）：144146，168.

［4］潘九寶，王瑋，黃明偉，等.采用傾斜攝影測量和幾何造型方法的城市實景三維建模［J］.測繪通報，2020（6）：121124.

［5］楊榮幫.無人機傾斜攝影測量在城市更新中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（7）：217220.

［6］劉建程，王冠智，金澤林，等.傾斜攝影測量面向城鎮實景三維建模及精度分析［J］.測繪通報，2021（S1）：1619.

［7］于麗麗.基于無人機傾斜攝影測量技術的城市三維實景建模研究［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（5）：8688.

［8］李小敏.基于傾斜攝影測量的城市實景三維建模與精度研究［J］.華北自然資源，2019（4）：8283，85.

［9］馮茂平，楊正銀，張秦罡.基于小型多鏡頭航攝儀的無人機傾斜攝影技術在實景三維建模中的應用［J］.測繪通報，2017（S1）：57.

［10］丁瑩瑩，趙云昌，袁國霞.消費級無人機與GNSS接收機在地形圖測繪中的應用及精度分析［J］.山東國土資源，2022，38（3）：5962.

［11］丁瑩瑩.基于消費級無人機傾斜影像的高精度裸眼三維測圖方法研究［J］.山東國土資源，2021，37（8）：5761.

［12］姜華.基于消費級無人機的1∶500地形圖的制作［J］. 測繪與空間地理信息，2020，43（6）：179181.

［13］馬林，孫勇，田家寬.多旋翼無人機傾斜攝影技術助力土地儲備潛力精準分析［J］.山東國土資源，2022，38（11）：5964.

［14］王廣楠，劉健辰，張子浩.基于消費級無人機影像的古建筑三維建模方法［J］.北京測繪，2022，36（8）：10081012.

［15］杜甘霖，葉茂，劉玉珠，等.露天礦山監管中的無人機測繪技術應用研究［J］.中國礦業，2019，28（4）：111114.

［16］泮建偉. 基于無人機傾斜攝影的1∶500地形圖要素更新應用研究：以浙江松陽縣為例［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（10）：211214.

［17］蔣大鵬，李俊，竇關新，等.基于天狼星無人機系統的地質災害點基礎地理信息快速獲取關鍵技術研究［J］.測繪與空間地理信息，2020，43（7）：207209.

［18］江超，張維，徐小偉，等.消費級無人機低空遙感技術在水電工程建設中的應用［J］.人民黃河，2022，44（S1）：164165，167.

［19］國家測繪地理信息局.CH/T 90152012三維地理信息模型數據產品規范［S］.北京：測繪出版社，2012.

［20］國家測繪局.基礎地理信息數字成果 1∶500、1∶1000、1∶2000 數字線劃圖：CH/T 9008.12010［S］.北京：測繪出版社，2010.

Rapid Update of Topographic Map of Urban Built-up Area

Based on Fixed-wing Mapping UAV

DU Chong ZHAO Hui ZHU Lei LI Nan

（1.Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250102， China; 2.Shandong Institute of Geological Sciences， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：The urban built-up area is the objective reflection of regional distribution of urban construction and development， and is the main area of smart city construction.In view of the characteristics of the urban built-up area， such as rich terrain information and large area. In this paper， technical method of using domestic fixed-wing mapping UAV to obtain urban high-resolution image data has been put forward. Rapid update of topographic map of the built-up area with the scale of 1∶500 has been completed， and the accuracy of the results has been tested. It is showed that this method has good applicability in rapid updating of geographic information in urban built-up areas.

Key words：Fixed-wing mapping UAV; urban built-up area; real scene 3D model; large scale topographic map