無人機航攝系統(tǒng)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(yè)時，通常需要設置多個外業(yè)像控點，采用CORS系統(tǒng)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(yè)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(yè)工作量、降低外部環(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)工作量，降低外業(yè)工作難度高，可采取構架航線設計方式，免除像控點布設環(huán)節(jié)。構架航線是指在航測區(qū)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(tǒng)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(qū)域網模型，利于提高加密平差的準確性。基礎航線與構架航線布設示意圖如圖1所示。

1.2基于POS系統(tǒng)輔助的空中三角測量技術

POS系統(tǒng)包含2部分結構，即GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、INS慣性導航系統(tǒng)。通過二者優(yōu)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(tài)信息，將之視作帶權觀測值，用于解算空三區(qū)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(jiān)測GPS衛(wèi)星信號，能實時獲取到攝站中心的瞬時空間坐標。GPS系統(tǒng)包含3部分結構（圖2），衛(wèi)星是定位時的動態(tài)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(wèi)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(wèi)星，獲取不同觀測時間下的衛(wèi)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(fā)送修正值，便可有效提高定位精度。

1.2.2 INS慣性導航系統(tǒng)

這是一種導航參數解算系統(tǒng)，能獲取到導航坐標系中各個處于運行狀態(tài)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(fā)射能量，兼具獨立性與隱蔽性，慣性測量單元是此系統(tǒng)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(tài)角、加速度數據進行獲取。利用INS慣性導航系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測無人機飛行的角度、速度，能準確得到其飛行姿態(tài)數據與位置信息。電磁波等干擾因素對INS慣性導航系統(tǒng)的影響并不大，因而可以高效、持續(xù)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(wěn)定性難以保證，且存在外界環(huán)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(tài)數據全部錄人，選取常規(guī)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(tǒng)，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(tǒng)時，應選用具有構架航線作業(yè)模式及PS輔助智能化平差功能的系統(tǒng)，以便實現免像控空三大解算快速完成大面積區(qū)域空三加密任務的處理。分析常規(guī)空三處理流程（圖5）發(fā)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(qū)的像素畸變量達到幾十個，為此，所選的空三處理系統(tǒng)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(tǒng)誤差，也可找出圖像間的對應關系。

圖5常規(guī)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(tǒng)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(fā)出的是高電平觸發(fā)信號，信號發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(qū)的圖件、影像等相關資料進行全面收集，除了地形圖、規(guī)劃圖外，還要獲取航攝影像、衛(wèi)星影像，并要全面采集測區(qū)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(guī)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(qū)飛行策略，由于道路較長，共有 28km ，應劃分成5個作業(yè)區(qū)分別實施航測。按照大比例尺地形圖航攝相關規(guī)定的要求，本項目城區(qū)無人機的飛行高度控制在 150m 左右，高架密集區(qū)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(tài)檢查之外，還要進行通電檢查、著車檢測。同時，地面監(jiān)控站也要全面排查監(jiān)控設施，要查看線纜及接口是否緊密連接，檢測監(jiān)控主機及天線是否完好，并提前消除監(jiān)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(zhí)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(yè)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(yè)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(guī)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(fā)現采用無人機航攝系統(tǒng)實施免像控快速大比例尺地形圖測繪時，得到的測區(qū)平面誤差值與高程誤差值分別未超過5cm 與 10cm 的規(guī)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(tǒng)方案發(fā)現，免像控方案下外業(yè)工期只用了 12d ，遠低于傳統(tǒng)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(tǒng)方案測繪節(jié)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(tǒng)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(tǒng)像控布設與測量的方法優(yōu)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。

參考文獻：

[1]周杰.無人機攝影測量大比例尺地形圖精度及影響因素分析[J].價值工程，2023，42（19）：142-144.

[2]張應昌.無人機航攝在大比例尺地形圖測繪中的應用一—以溧水區(qū)道路改建工程為例[J]華北自然資源，2022（5）：105-107.

[3]馬海政，強德霞.免像控無人機航攝系統(tǒng)在大比例尺地形圖測量中的應用[J].測繪通報，2020（7）：159-161.

[4]林坤財.無人機在大比例尺地形圖測繪中的應用分析[J].智能城市，2021，7（17）：51-52.

[5]盧飛.無人機航測大比例尺地形圖技術研究[J].經緯天地，2023（2）：76-79.