云南首次大面积利用低空无人机进行航摄及1∶2 000 DOM 的制作*

杨润书，苏建平，马燕燕，王亚男

(云南省地矿测绘院，云南 昆明 650218)

0 引言

近年来，低空无人机航摄系统在全国陆续被推广应用。云南省地矿测绘院于2010 年引进低空无人机航摄系统，经过一段时间的探索，并进行了多个小项目的试作业和生产后，在航飞、影像数据获取和正射影像图的制作及DLG 的生产方面，已经具有较强的生产能力。云南省国土资源厅根据农村集体土地所有权和农村宅基地使用权确权登记发证工作的有关规定，考虑到云南省特殊的地理环境及现状，决定在云南省坝区内采用0．2 m高分辨率正射影像图作为农村集体土地确权登记发证的工作底图。经过公开招投标，云南省地矿测绘院中标并承担了曲靖市14 个坝区约5 000 km2的航摄及1∶2 000 正射影像图(DOM)制作任务。

在云南省内利用无人机航摄系统进行大面积航摄并获取0．2 m高分辨率影像尚属首次，该项目在实施前，对技术设计方案进行了专家论证和评审，项目完成后顺利通过了云南省测绘产品检测站的质量检验。据此，本文通过对该项目的有关技术工作进行归纳总结，以便为利用低空无人机航摄系统进行大面积航摄并获取高分辨率影像提供参考。

1 摄区概况

航摄区分布在云南省曲靖市所辖的罗平县、师宗县、陆良县、麒麟区、沾益县、会泽县和宣威市的14 个坝区，范围为东经103°23' ～104°26'，北纬24°36'～26°36'，见图1 中的范围线所示区域。

图1 曲靖市14 个坝区航摄范围图Fig．1 The aerial photography range of 14 flatlands in Qujing

工作任务包括:完成14 个坝区5 250 km2的航摄任务及1∶2 000标准分幅正射影像图(DOM)的制作(图幅数为5 425，影像分辨率为0．2 m)。

2 无人机低空航摄

本文所述的无人机航摄系统以快眼II 型无人机为飞行平台。快眼II 型无人飞机最大空速为160 km/h，巡航空速为120 km/h，航时约2 ～3 h。根据航向重叠度为65%、旁向重叠度为35%的要求及各区域的地形情况，将整个项目区分为73个摄区，126 个架次进行飞行。按照设计要求，航拍0．2 m 分辨率的影像，使用Canon 5D Mark II 的相机和焦距为24 mm 镜头，飞行高度为750 m，航间距727 m，拍照间距为261 m。若使用焦距35 mm 的镜头，则飞行高度为1 100 m，航间距731 m，拍照间距为263 m。在进行航线设计时，为了保证整个摄区航摄分辨率达到或优于0．2 m，设定的航高应略小于设计值;考虑到地形起伏和重叠度的要求，航间距和拍照间距一般应比理论值小［1-3］。

对14 个坝区中的每一个坝子逐一进行航摄，根据坝子形状、大小和地形起伏不同，分成若干个摄区进行作业，1 个摄区可以进行1 个架次的飞行，也可以进行多个架次的飞行。

3 飞行质量与影像质量分析

3．1 飞行质量

各个坝区飞行质量统计，如表1 所示。

由表1 可以看出:航向重叠度为59% ～85%，旁向重叠度为30% ～65%，像片俯仰角为3°，滚转角为4° ～7°，旋偏角为4°～9°，测区内航高差27 ～38 m。

3．2 影像质量

本项目拍摄所获影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，能分辨出与地面分辨率相适应的细小地物影像，且能建立清晰的立体模型。影像上无云、烟、大面积反光、污点等缺陷。仅有少部分影像有小面积反光现象，但不影响立体模型的连接和测绘，可以在后期进行处理。拼接影像无明显模糊、重影和错位现象。

4 像控点测量

外业像控点测区内布点情况:航线按间隔5 条基线布设1个平高控制点，旁向按4 条航线布设一排平高控制点。像控点位目标要求清晰，易于判刺，对空开阔，且要选在3°以上重叠特征明显的位置，所选点应以地面较坚固且不易变化的目标点为主，如线状地物交叉点(正交最佳)，明显地物拐角点。所用测量设备包括:南方灵锐S82 型双频GPS(RTK)4 台套;Trimble 5700 型双频GPS(RTK)4 台套。

本项目共完成14 个坝区影像控制点5 775 个，控制面积5 250 km2。控制点均匀分布于各测区内，检查点均匀分布于各测区内。各点位精度均优于±0．20 m，达到规范规定的精度要求。

5 数据处理

所需数据为像片数据、相机检校数据和控制点数据。其中，相片数据由外业航拍获得;相机检校数据是指航拍所使用相机的检校数据，由相机检校部门提供;控制点数据采用GPS RTK测量获得。此项目航拍共获取像片约44 843张，根据航拍情况，分为73 个测区进行数据处理。

5．1 影像预处理

首先要对外业获取的像片进行畸变纠正，以相机检校文件为依据，采用软件进行处理，消除畸变差;然后将消除畸变后的像片导入DPGrid 软件中，进行旋转、Willis、Harris、金字塔、快视图等预处理;最后再根据外业航拍轨迹排列设置航带。

5．2 空中三角测量

DPGrid 同名点匹配采用全自动匹配，但匹配前需将航带间对应的像片对齐，然后设置匹配参数，再进行自动匹配点。自动匹配完成后，进行串点、标准点位挑点工作。之后进入交互编辑手工挑点，挑出错误点，匹配点不足区域需手工加点。经过交互编辑，测区点位误差符合要求后输出空三加密成果。

使用控制点、检查点的情况:定向点5 087 点，检查点551点。通过检查点的较差分析，判定内业空三结果是否达到1∶2 000正射影像的精度要求。经过区域网平差后，整个项目的定向点、检查点精度，如表2 所示。

表2 基本定向点和检查点精度Tab．2 The precision of the basic orientation points and check points

根据CH/Z 3003 -2010《低空数字航空摄影测量内业规范》规定:制作1∶2 000数字正射影像图时，区域网平差后，基本定向点残差、检查点误差不大于表3 规定。

表3 定向点残差/检查点误差最大限值Tab．3 The maximum limit both the orientation points error and check points error

从表2、表3 可以看出:该项目所有的基本定向点和检查点中误差都符合要求，绝对定向精度达到了生成1∶2 000正射影像图的要求，从而为DOM 的生产提供了保证。

5．3 DOM 的生产及编辑

经过以上几个步骤，输出DEM 和DOM 产品。生产DOM 时需要手工进行整饰编辑，以使图面色彩更完美。

由于本项目的DOM 是分测区进行制作的，因此各测区间还要进行接边。接边工作要靠手工完成，可采用DPGrid、ERDAS、Photoshop 等软件进行。最后将DOM 分幅裁剪，加上图框和注记等整饰内容后即完成标准分幅正射影像的制作。

DOM 的编辑包括:拼接线的编辑和影像拉花变形编辑。对于拼接线的编辑，拼接线应根据地物的情况进行选取，如拼接区域通过居民地时，拼接线应绕开居民地，另外要保证拼接线两边地物色彩平衡，亮度反差适中。对于影像拉花变形的编辑，要对拉花变形区域指定合适的编辑参数和方法进行编辑，最终使DEM 切准地面，DOM 影像完整、美观。

6 影像质量检查及精度分析

本项目检查方式是，先由作业员自查、部门内业检查，然后交院生产技术部抽查，最后提交云南省国土资源厅委托的检测单位——云南省测绘产品检测站最终检查，检查合格后组织验收。本项目DOM 的精度检测采用4 种方法:

1)利用保密点检测。是指将通过空三采集的保密点与DOM 上对应的地物点的坐标进行比较，计算检测点坐标互差并统计平面位置中误差。

2)利用已有的控制点检测。是指通过已有控制点与DOM上相应地物点进行坐标比较。

3)利用已有地形图进行套合检测。是指利用已有的1∶500地形图，通过在地形图上采集明显地物点与对应DOM 上相应地物点进行坐标比较。

4)实地测点检测。是指利用GPS RTK 测定明显地物点的坐标，将其与数字正射影像图相应点的坐标进行比较，计算检测点坐标互差并统计平面位置中误差。

需要注意的是，后3 种方式的检查精度都要满足外业实地采集检测点的精度要求。

6．1 院级质量检查及精度分析

在该项目中，除了陆良县芳华坝子有地形图进行套合检查外，其它坝子均采用控制点进行检查。保密点、像控点和地形图套合检查结果，如表4 所示。实地测量的明显地物点的检查结果，如表5 所示。

表4 内外业精度统计表Tab．4 The auuracy statistics of the field and indoor work

项目按73 个测区(由于篇幅所限，仅以县为单位即8 个行政区进行统计)共检查了保密点32 321 个，点位中误差为±0．41 m，限差为±0．8 m。除陆良县因采用两种方法检查而分别进行统计外，其余均按县(区)进行统计。从表4 可看出，内业像控制点检查，中误差最小为±0．46 m，最大为±0．68 m，表明正射影像图精度均匀。对项目区进行控制点检查和地形图套合检查，其中7 个行政区(除陆良芳华坝子外)使用了控制点检查，共检查控制点3 823个点，点位中误差为±0．59 m，限差为±1．2 m;最大点位误差为2．38 m，限差为2．4 m。陆良芳华坝子使用地形图套合检查，共检查了344 个点，点位中误差为±0．65 m，限差为± 1． 2 m;最大点位误差为2． 22 m，限差为2．4 m。

正射影像图制作完成后，利用RTK 测得的结果对各坝区明显地物点进行检查，统计结果见表5。

表5 外业测点精度统计表Tab．5 The precision statistics of the field measuring points

按14 个坝子利用GPS RTK 实地测量明显地物点共检查了1 758个点，点位中误差为±0．66 m，限差为±1．2 m;最大点位误差为2．29 m，限差为2．4 m。

从4 种方法的检查结果可以看出，该项目获取的1∶2 000 DOM 精度能满足规范要求。

6．2 云南省测绘产品检测站检测结果

本项目顺利通过云南省测绘产品检测站的检验，检查结果为:采用的空间坐标系符合要求，制作的1∶2 000正射影像图色调均匀、纹理清晰、层次丰富。共抽检了202 幅DOM，检验结果为:平面位置精度平均为±0．70 m，平均分为82．2 分。各坝子正射影像图质量及得分情况，如表6 所示。

6．3 云南省国土资源厅最终验收结果

由云南省国土资源厅组织的有关专家对云南省地矿测绘院完成的“云南省农村集体土地确权登记发证购买第二批高分辨率航飞数据”项目成果进行验收，验收结果为:该项目在云南省属首次大面积采用低空无人机航摄系统开展数字航空摄影，并且在数字航空摄影、外业像控测量、空三加密、DOM 制作等方面技术路线制定科学合理，技术先进，成果质量优良。

表6 正射影像图质量统计及得分Tab．6 The quality statistics and score of DOM

7 结论

在项目完成后，对获得的正射影像图进行了实地外业检测和精度分析，结果显示:利用无人机低空航摄系统拍摄并制作完成的曲靖市14 个坝区5 250 km2的1∶2 000正射影像图影像清晰、反差适中、色彩及色调均匀，影像无错位、扭曲、拉花等现象，拼接无缝，数学精度较高，符合技术设计要求，能满足农村集体土地所有权和使用权确权登记发证工作的需要。另外，由于该项目在飞行质量、影像质量、像控质量、后期内业数据质量等各个环节都有保障，因此保证了正射影像图的最终质量。

本文介绍了利用低空无人机航摄系统在云南省内首次进行大面积高分辨率航摄，并成功制作1∶2 000正射影像图的主要技术流程，旨在为今后低空无人机航摄系统在各行各业的广泛应用提供参考。

［1］ 杨润书，吴亚鹏，李加明，万保峰． 无人机航摄系统的特点及应用前景［J］．地矿测绘，2011，27(1):8 -9．

［2］ 林宗坚． UAV 低空航测技术研究［J］． 测绘科学，2011，36(1):5 -9．

［3］ 杨润书，马燕燕，殷海舟．低空无人机航摄系统地面分辨率与航高的关系研究［J］．地矿测绘，2013，29(3):1 -2．