無人機航攝系統免像控快速測制大比例尺地形圖關鍵技術分析

中圖分類號：P631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0140-04

Abstract：Inorder toensuretherapidextractionof surfacespatialinformation，aUAVaerialphotosystememerged.This systemcanobtainhigh-resolutionimagesandcanbeusedforlarge-scaletopographicmapsurveyingandmappng.Inorderto improvetheeficiencyofsurveyingandmappingandensuretheacuracyofsurveyingandmapping，thispaperadoptsthe image-freerapidmeasurementmethod.Onthebasisofnotsetinggroundimagecontrolpoints，thepapercombinesthebasic routeandtheframeworkroute，andusesPOS-asistedaerialphotogrammetrytoquicklycompletelarge-scaletopographicmap drawing.Also，thispaperintroducesthecoretechnologiesusedinsurveyingandmapping，andcombinesroadenginering examplestoanalyzetheapplicationprocessofthe UAVaerialcamerasystem toquicklymeasure large-scaletopographicmaps withoutphotocontrol.Itisconcludedthatthis methodhastheapplicationadvantagesof improvingsurveyingandmapping effciency， saving surveying and mapping costs，and applying results in a wide range.

Keywords：UAVaerial photography；image-freecontrol;large-scale topographicmap;topographicmapmapping；POSassisted aerial photogrammetry

無人機航測作業時，通常需要設置多個外業像控點，采用CORS系統實施重復觀測，且空三處理時刺點控制難度較大，對施測人員的專業性要求較高，并且工作量較大，像控效果易受到天氣、地形等因素限制，無法保障航測結果的準確性。而采取免像控快速測制技術繪制大比例尺地形圖，則能減少外業工作量、降低外部環境干擾，可保證航測結果的準確性。為此，有必要對無人機航攝系統免像控快速測制大比例尺地形圖的關鍵技術展開探討。

1無人機航攝系統免像控快速測制大比例尺地形圖的核心技術基礎

1.1構架航線布設技術

為減輕外業工作量，降低外業工作難度高，可采取構架航線設計方式，免除像控點布設環節。構架航線是指在航測區內，以基本航線為基礎，增設多條垂直航線，并在四角處分別設置一個平高控制點，以防正航測時GPS攝站中心由于坐標系統漂移而產生測量誤差。利用此技術不僅提高測量精度，還能降低地面像控點設置數量，可以構建剛性良好的區域網模型，利于提高加密平差的準確性?；A航線與構架航線布設示意圖如圖1所示。

1.2基于POS系統輔助的空中三角測量技術

POS系統包含2部分結構，即GPS全球衛星定位系統、INS慣性導航系統。通過二者優勢互補，可降低外界干擾、提高定位精神、增強跟蹤能力，準確獲取GPS差分定位數據、航攝裝置航偏角、俯仰角以及測滾角數據等其他數據。然后解算提取攝站中心曝光時的空間位置數據、影像姿態信息，將之視作帶權觀測值，用于解算空三區域網平差，以此得到精準的外方位元素，從而獲取準確定位成果。

1.2.1 GPS差分定位

GPS接收機主要采用載波相位差分原理運行，可以全天候24小時不間斷監測GPS衛星信號，能實時獲取到攝站中心的瞬時空間坐標。GPS系統包含3部分結構（圖2），衛星是定位時的動態控制點，可在獲取到瞬時坐標的情況下，于后方進行空間距離的交匯，從而準確完成用戶接收天線位置的定位。GPS定位時，會因出現衛星誤差、信號誤差或接收設備誤差影響定位精度，因此可采用差分定位方式消除這些誤差，以此提高定位的準確性。觀測量間差值的計算是GPS差分定位的核心，即將GPS接收機裝在已知點，用于與用戶接收機共同觀測衛星，獲取不同觀測時間下的衛星誤差及信號傳播誤差，再經由數據通信鏈向用戶接收機發送修正值，便可有效提高定位精度。

1.2.2 INS慣性導航系統

這是一種導航參數解算系統，能獲取到導航坐標系中各個處于運行狀態的物體的運行速度及所處位置，對外部信息的依賴性較低，無需向外部發射能量，兼具獨立性與隱蔽性，慣性測量單元是此系統的核心結構，其主要由單軸陀螺、單連加速計兩部分元件組成（圖3），二者的數量均為2個，主要作用是對三軸運動物體的三軸姿態角、加速度數據進行獲取。利用INS慣性導航系統可以連續監測無人機飛行的角度、速度，能準確得到其飛行姿態數據與位置信息。電磁波等干擾因素對INS慣性導航系統的影響并不大，因而可以高效、持續自主完成導航任務。

圖3慣性測量單元結構示意圖

1.3差分GPS后處理技術

差分GPS輔助空中三角測量時，無人機飛行穩定性難以保證，且存在外界環境干擾，因而空間位置觀測數據易產生周跳問題，會因此降低攝站中心定位的準確性。為此，需在獲取差分GPS數據后進行POS數據后處理。要先設定用戶工程，確定工程路徑、編寫工程名，再將基站、移動站以及姿態數據全部錄人，選取常規模式進行解算，若得到的固定解比率偏低，應調整為容錯模式，再以得到的最高百分比數據作為解算結果。然后將天線與相機的相對位置錄入數據處理系統，將基站位置設置成外部輸入，不填人計算后的基站儀器高度值，將經緯度格設置為度分秒后，錄人基站坐標，選取橢球高度模式，勾選輸出CGCS2000結果，同步輸出WGS84坐標文件及CGCS2000文件3。PPS解算包括5個步驟（圖4）。PPS解算后還要進行數據修正，以便獲取到高精度GPS數據。

1.4 天工GodWork空三處理軟件

為保障成圖精度，選擇空三處理系統時，應選用具有構架航線作業模式及PS輔助智能化平差功能的系統，以便實現免像控空三大解算快速完成大面積區域空三加密任務的處理。分析常規空三處理流程（圖5）發現，除空三處理時的基礎數據質量以及差分POS數據后處理精度外，相機檢校參數精度也會影響空三平差處理精度，若相機存在過大的影像畸變，會導致邊緣區的像素畸變量達到幾十個，為此，所選的空三處理系統要具有相機自標定功能，即采用非量測相機，運用自標定解算方法，在平差時自動解算相機參數，從而獲取相機內方位元素及畸變差參數。天工GodWork空三處理軟件，自帶相機自標定解算功能，在不檢校參數的情況下，可自動化完成相機標定，得到高精度的影像畸變差，能保證相機參數精度、消除系統誤差，也可找出圖像間的對應關系。

圖5常規空三處理流程

1.5熱靴引閃技術

由于GPS接收機、無人機航攝裝置的運行各自獨立，因而信號的記錄時刻與曝光時刻并不一致，存在曝光延遲現象，會導致位置偏差。為化解此問題，需要引入熱靴引閃技術，即將引閃器裝置安裝于無人機航攝相機的預留接口及GPS差分模塊之間，在飛行控制系統給出曝光信號后，無人機航攝裝置接收信號完成進行曝光時，在引閃器裝置的作用下，可同步獲取相機快門動作信息，并將之傳送給GPS差分模塊，所發出的是高電平觸發信號，信號發射頻率為 200ns 以上，可清晰觀測到曝光時攝站的空間位置信息，并能將曝光延遲偏差控制在 10ms 以內，可以降低GPS數據的觀測誤差。GPS記錄方式如圖6所示。

2無人機航攝系統免像控快速測制大比例尺地形圖的實驗分析

2.1 項目概況

某城市快速路改擴建工程總長度為 28km ，項目除了包含道路改建與擴建工程之外，還要完成擴建高架橋梁、更新地下管網以及開發周邊地塊等多項內容，為保障此項目順利開展，需提前半年完成地形勘察工作，且要繪制出1：1000的大比例尺地形圖。地形測繪時，為了避免采用傳統像控點布設方法影響道路交通的正常運行，本項目選用無人機航攝系統免像控技術，以此保障大比例尺地形測制的效率與質量。

圖6GPS記錄方式

2.2 資料收集

為了保障本項目的順利開展，需要對測區的圖件、影像等相關資料進行全面收集，除了地形圖、規劃圖外，還要獲取航攝影像、衛星影像，并要全面采集測區的地形與地貌信息，收集氣候信息以及周邊建筑與設施信息。

2.3技術參數與航線規劃

本次地形測繪采用CW-10型無人機，其技術參數詳見表1。無人機航測時飛行采取分段分區飛行策略，由于道路較長，共有 28km ，應劃分成5個作業區分別實施航測。按照大比例尺地形圖航攝相關規定的要求，本項目城區無人機的飛行高度控制在 150m 左右，高架密集區航高設為 100m 即可。地面分辨率設置為 5cm ，無人機按照蛇形航線與構架航線相結合的方式展開航測任務。

表1CW-10型無人機技術參數

2.4 任務實施

2.4.1 前期準備

大比例尺地形圖測繪任務開展前，需先行勘察地形地貌，并全面檢測無人機設備，以消除故障隱患，保障航測過程安全。除了要對無人機裝置展開靜態檢查之外，還要進行通電檢查、著車檢測。同時，地面監控站也要全面排查監控設施，要查看線纜及接口是否緊密連接，檢測監控主機及天線是否完好，并提前消除監控站電源的故障隱患。

2.4.2 數據采集與處理

利用無人機內置的IMU慣性測量單元、GPS裝置獲取定位數據，利用控制點采集模式收集基準站數據，并運用碎步點采集模式收集平面精度檢核點、高程精度檢核點數據。采用天工GodWork空三處理軟件處理數據，依據設置數據路徑、基站信息、數據處理步驟，一次性完成數據處理，之后再自動化執行空三加密操作。解算獲取到高精度POS數據后，將數據導入空三處理軟件進行平差處理，最后利用DOM/DSM編輯模塊拼接處理得到的成果。

2.4.3DLG結果生成與精度檢測

采用專業立體測圖軟件生成立體像對，并提取各地物要素，再通過外業測繪，糾正與補充地物要素，從而獲取準確的DLG成果。對比所獲DLG圖坐標與地面實測坐標，選取多個關鍵地物轉角點對比平面精度，并采用不同位置的高程點對比高程精度，所檢測地物點點位坐標及高程注記點分別為308個與146，數據精度均未超過規定范圍，部分數據見表2、表3。

2.5 結果分析

采用全站儀實測對比典型特征點，發現采用無人機航攝系統實施免像控快速大比例尺地形圖測繪時，得到的測區平面誤差值與高程誤差值分別未超過5cm 與 10cm 的規定限制，滿足1：1000大比例地形圖測繪要求。對比免像控方案與傳統方案發現，免像控方案下外業工期只用了 12d ，遠低于傳統方案的45d ，有效提高了測繪效率。同時，本項目免像控方案投入成本為180萬元，比按傳統方案測繪節約了140方元，所得成果除了可用于繪制地形圖外，還可用于構建三維模型與生成BIM圖，能使設計返工率降低90% 。

3結束語

采用無人機航測系統實施免像控快速測制大比例地形圖，具有效率快、成本低以及設計返工率低的特征，比傳統像控布設與測量的方法優勢更為顯著。但注意在道路工程大比例尺地表圖測繪時，要保障測繪效率與精度，最好選擇支持雙頻RTK/PPK的垂起固定翼無人機，并聯合采用激光雷達與傾斜攝影技術，還要合理選擇免像控技術應用場景并加強精度控制，方能測繪出準確、可靠的大比例尺地形圖。

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