無人機航測技術在地形測繪中的應用探究

雍李標

摘 要：利用無人機航測技術，能夠快速、精準、高效獲取測量區域地理信息數據，極大程度上提高地形測繪工作質量與工作效率。以某新建公路地形測繪為例，從無人機航測技術優勢入手，全面探討了無人機航測技術要點，供廣大測量同仁閱鑒參考。

關鍵詞：無人機航測；地形測繪；像控點布設；空三測量

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）05-0092-03

1 測區概況

某新建公路位于安徽省合肥市，路線全長為22.46 km，被測地形所處地區有低山、丘陵、盆地，整體地形起伏大，部分路段灌木及野生樹木密集，通視條件不好。若采用全站儀、GPS-RTK、傳統航空測繪等測量技術，往往會受測區環境、復雜地形、通視條件等因素影響導致測量精度降低。而采用無人機航測技術，能夠避免上述測量技術的不足，有效提升公路地形測繪的質量和效率。

該測量區域的測繪任務采用無人機航空測量，航飛測繪系統為ZC-Ⅱ，航攝影像設備采用佳能EOS 5D單反相機，傳感器為CMOS類型。由于攝影機非量測專用，故在成像幾何質量、內方位穩定性等方面不占優勢。但通過室內精密控制場進行檢校，將測量數據代入平差模型解算，獲得可供使用的影像數據。

整個航測按照“外業→內業→外業→內業”進行，具體流程為：①在開展航測前需要進行航飛設計，做好航測路線規劃。②正式航測時，先起飛無人機，進行航空攝影，完成航攝后進行外業像片控制點布設與測量。③利用外業測量獲取的像片控制點和地形資料，在室內進行空中三角測量、立體測圖，獲取需要的內業控制點。④結合內業測繪結果開展外業調繪、補充測量。⑤進行成果編輯，完成DEM和DOM制作，并做好質量檢查后，提交匯總成果，如圖1所示。

2 無人機航測技術優勢

2.1 成本低

傳統的測量技術是依靠全球衛星定位系統進行測繪作業，以相同區域的測量面積計算，傳統測量技術需要的人工成本、測繪費用大約是無人機航測的10倍，而測繪時間大約是無人機航測的2倍[1]。無人機航測設備雖然前期采購費用較高，但使用周期長，維護成本低，攤銷后的費用更少，而且測繪時需要人工少、效率高、能克服各種復雜地形的影響，大大縮短野外測量周期。無論是測繪成本還是效率，無人機航測和人工測繪相比，都具有絕對優勢。在實踐中，應用無人機航測技術能夠加快工作效率，擴大市場業務量，進一步提升企業核心競爭力。

2.2 效率高

使用無人機航測開展地形測繪作業時，測量人員可結合測量區域地形條件設計航飛路線，設定無人機飛行高度、速度、路線，編輯好相關參數，控制操作無人機以最佳狀態的垂直或傾斜方式進行測量區域的地理信息數據采集。整個測繪流程時間短，且能夠精準捕捉影像數據，將測量獲取的地理信息傳輸到后臺進行分析和測算，高效完成測繪任務。尤其是在進行大比例、大區域地形測繪時，無人機航測高效、快速的優勢更能體現出來。

2.3 機動性好

在傳統的測繪中，各個高程控制點需要測繪人員就位測量，如果遇到高山峻嶺、險急河流、沼澤濕地等特殊區域，人工無法到達的區域，很難精準完成測量作業。而無人機測繪就能規避這些因素的影響，其機動性好、反應快速，不收復雜地形條件的限制。

此外，無人機體積小，單人背包即可攜帶、長途行進，現場拼裝操作也很簡單，對場地、氣候等環境沒有特別要求。例如，多旋翼式無人機可以就地垂直起降，隨時開展測繪作業，且對測繪區域數據存在疑點的能夠迅速進行補測。即使遇到現場條件較為惡劣的，也可以先暫停作業，待情況好轉后再繼續進行，免去人工往來的困擾。

2.4 精度準

復雜地形條件下，遇到傳統人工測量不能到位的區域，往往會出現測點間距過大或遺漏問題，如此就會對地形成圖的測量精度造成影響。無人機航測可以有效克服這些影響，即使環境不利，也可以全方位獲取測量的信息數據。

隨著科技進步，無人機配備的影像設備越來越高清，在測繪時能迅速、準確、清晰的獲取測量信息數據，并且數字影像成像效果好、分辨率高。最重要的是影像中有地形測繪需要的坐標信息，其可以作為地形成圖的原始資料[2]。無人機航測技術協調性也好，能夠與衛星遙感、航空測繪信息聯合對接，與地面控制系統互聯互動，及時調整優化誤操作出現誤差的影像信息數據，確保地形測繪的精準度，提升測繪作業的質量。

3 無人機航測技術要點

3.1 航線規劃

在進行航線規劃前，應先確定無人機航飛范圍、熟悉測區地形地貌，并結合無人機續航能力等各項參數確定飛行架次，優化航飛作業方案，提升航測作業效率，在城區、高海拔地區應事先申請空域。

某項目航測區域呈南北走向，整體地形為兩端高、中間低，結合周邊氣候、線路走向以及無人機續航時間，設計采用7個架次，航線若干條，基準面高程為170 m。航線設計示意如圖2所示。

為確保滿足航測成圖要求，相鄰航線應滿足如下規定要求：航向重疊度60%，不得小于53%，旁向重疊度30%，不得小于15%，對于地形復雜、起伏大的，應適當增加重疊度[3]。航線規劃通常分為兩步：①飛行前預規劃，即根據任務要求統籌制定最優參考路徑。②飛行中重規劃，即航飛過程中若遇到地形、氣象等突發因素時，局部動態調整飛行路徑或動作。

3.2 航空攝影

無人機測繪小組應根據制定的航攝計劃，對各測區進行拍攝采集照片數據，外業航飛過程中作業人員應時刻關注無人機飛行高度、速度等飛行狀態，做好實時傳圖，保證飛行安全。在每架次飛行結束后，應立即檢查拍攝的影像質量，檢查是否存在漏片、漏洞等情況。對于影像點不滿足設計要求，出現相對漏洞、絕對漏洞或其他缺陷時應及時補攝。漏洞補攝應嚴格按照原設計航線進行，直至獲取滿足質量要求的影像。

對于個別相對漏洞不影響內業加密模型的，可只在出現漏洞的位置補攝，但應注意，補攝航線的長度需超過漏洞以外的1條基線。如果控制航線存在局部相對漏洞，但對航線內業加密控制點選擇和模型連接無影響時，可不進行補攝[4]。但只要涉及補攝時，就要按要求對整條航線進行重攝，確保無遺漏。影像數據檢查合格后方可帶回進行后續數據處理。

3.3 像控點布設

像控點布設時應嚴格按照規范要求的密度，優先選擇便于查找處理的位置，如建筑角點、地物交叉點等。若測區處于山區等無明顯地物的區域時，應根據測區內通視條件與有無明顯特征點進行選擇與布點。若對空視角較好，可在平坦地面采用人工噴漆對布設的像控點進行標記，對于植物密集區域可采用系白布條作為標記點。布點位置應選擇易識別、好固定、無陰影、無遮擋的區域。布點密度應結合航測區域地形條件與測繪精度要求予以綜合確定，對于地形較為復雜的區域，可結合測區實際適當增加像控點密度。對于像控點的坐標與高程采用RTK測量，測量誤差不得超過5 cm，RTK接收機與無人機航測系統的網絡接入點、端口應保持一致，以確保測量數據的真實性、可靠性。

該項目航測區域為帶狀地形，可沿測區邊界按照相同間隔均勻布設若干平高點像控點，對測區以內等距布設若干稀疏檢測像控點。其中，像控點△位于測區邊界，檢查點□位于測區內部，像控點與像控點間能夠構成空間三角網結構，通過在測區內部布設檢查點，能夠有效提升平面精度和高程精度，像控點布設示意如圖3。對于測區復雜不規則地形段，應結合測區實際情況，對像控點進行加密處理，以保證后期成圖的精度與質量。

3.4內業處理

3.4.1 空中三角測量

空中三角測量即空三加密、攝影測量加密，是航測內業最關鍵、最重要的一環，其成果直接影響著內業成圖的質量和精度，故不容小覷。航攝過程中，由于普通攝像相機成像幾何質量不高、內方位穩定性差，且受外界環境因素的干擾，航攝質量往往難以保證。為了彌補航攝數碼相機成像的不足，可采用光束法空中三角測量對影像進行處理，從而減少后期成圖的誤差。

空中三角測量的基本原理是以中心投影的共線方程作為基礎方程，將單張像片組成的單一光束作為一個平差單元，通過各個光束在空間內旋轉與平移使模型中公共點光線實現最佳交會，并將最佳測區轉入已知控制點坐標。然后列出控制點與加密點誤差方程，對測區進行統一平差計算，最后完成加密點的地面坐標與像片的外方位元素[5]。平差計算時按要求對連接點、像控點予以粗差檢測，并將粗差點剔除或修測，進而有效確保立體測圖所需像對的精度。

3.4.2 內業立體測圖

結合空三加密、平差計算獲取的影像信息，利用全數字攝影測量系統恢復立體模型，進行立體采集，然后按要求進行編輯處理后，生成待編數據與野外調繪圖。對于內業立體測圖過程中發現與現狀不相符合的地物，應按要求進行外業補測。

需要注意的是，立體采集時應滿足如下要求：①等高線描繪采用測標切準立體模型，其誤差應滿足如下要求，平地、丘陵地≤1/5等高距，山地、高山地≤1/3等高距[6]。②等傾斜地段相鄰曲線間距＜5 mm時，使用首曲線插繪。③準確測繪架空管線及道路，對植物密集區域或隱蔽區域的測繪，需應用野外高程點和立體模型方式，一般高程注記點讀2次，變動幅度大的高程適當增加注記點。④如遇到被植被覆蓋的測量區域，需修正增加植被的高度。⑤如有建筑物，需標明結構、層數，涉及村鎮、公路、鐵路、溝谷、河流等應清晰標記。⑥將矢量地形圖通過CASS軟件轉換為格式地形圖，以供下一步設計使用。

3.5 外業調繪

外業調繪需嚴格按照相關規范要求，采用航攝成圖進行外業實地測量調繪，并按照公路勘察規范進行修測與補測。完成調繪后，再由內業調整數據，確保成圖精度。在項目測量區域，按要求對實測數據予以分析，選擇一部分高程點使用GPS進行實地測量，并將外業實測點與無人機航測DSM高程精度、DOM平面精度進行對比、分析，將GPS外業實測地物限差與空三加密精度進行對比，分析判斷地物點平面誤差、高程誤差，若不滿足項目測繪精度要求，應在后期進行外業補測。

3.6 內業編輯

在完成外業調繪及補測后，對調繪圖紙進行檢查，合格后方可對原采集的圖形數據、圖幅間的接邊進行編輯處理，并按要求加注各類注記要素。對圖面進行修整與裝飾，以生成滿足圖式要求的成果文件。通過外業調繪數據對立體測量數據進行檢查、確認與修改，生成項目成果數據。

4 結束語

傳統測量需投入大量人力、物力，且在地形復雜、植物密集區域施測難度大、測量周期長、作業效率低。而無人機航測技術不僅沒有傳統測量的弊端，而且效率高、成本低、成果可靠，尤其在復雜地形段優勢更為突出。但金無足赤，若對無人機航測重要環節的把控不當，亦會導致測量成果偏差過大。因此，在利用無人機航測技術開展公路地形測繪作業時，務須要做好航線規劃、像控點布設、空中三角測量、內業立體測圖、外業調繪及補測等相應環節的質量把控，從而為公路地形測量提供可靠的數據支持。

參考文獻

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[2] 刁云飛.無人機航測在地形數據采集中的應用[J].工程技術研究，2021，6（21）：253-254.

[3] 趙帥華.無人機航測技術及其在地形測繪工作中的應用探討[J].工程技術研究，2020，5（3）：41-42.

[4] 王玉立.淺述無人機航測在公路地形測量中的應用[J].工程建設與設計，2018（18）：267-268.

[5] 石小龍.無人機航測技術在丘陵地區大比例尺測圖的應用研究[J].城市勘測，2021（6）：132-134.

[6] 楊洲，齊兵，鄭浩.無人機航測在地形測圖中的應用[J].測繪， 2021，44（5）：237-240.