无人机航摄测量方法及精度分析研究

邓世军 朱卓娃 江宇 李建平

摘 要：随着低空无人机摄影测量技术的发展和完善，大量试验己经表明无人机测绘地形图的精度可以满足1：2000地形图的要求，本文结合江西某村的测量项目，详细探讨了无人机大比例尺地形图的测量流程，包括航空摄影、像片控制、影像预处理、空中三角测量、DEM/DOM制作、地形图制作及无人机航摄影像成图精度分析等。相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：无人机 大比例尺 地形图 测量技术 DEM

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

无人机航摄系统具有以下特点，第一，受天气条件和地面状况影响较小，作业方式灵活快速；第二，无人机平台自身构建及其搭载的航摄设备维护成本低；第三，因无人机飞行高度低，所以能够获取高分辨率影像，在小范围信息获取方面有很大的优势；第四，可根据具体要求设置影像重叠度，大重叠度的影像能够增强后续处理的可靠性。第五，不需要申请空域、携带方便、转场快等优点。目前，小型无人机对地观测系统已经成为世界各国争相研究的热点课题，并在实际应用过程中不断提升无人机对地观测系统的性能。

下面以江西某村为例，具体说明无人机航测绘制1：2000地形图的过程。项目采用“1980西安坐标系”和“1985国家高程基准”。木测区作业工序为无人机航摄、地形测量（包括四等控制测量、I级控制测量、像控测量、图根测量、野外补测、外业调绘）、空三加密、地形图制作（包括立体采集、数据编辑工序（1： 2000比例尺一套））、DOM制作、DEM制作、质检验收等工序。

1航空摄影

该村采取东西向飞行，平均航摄比例尺为1：23533，平均地面高度为1350米，其相对航高为650米。平均地面分辨率0.13米，满足1： 2000成图要求。本次外业摄影时间为2012年6月5 日。

2像片控制

2.1 影像资料分析

航线间隔及旁向重叠度在30%-40%之间，航向重叠度在65%-75%之间。全摄区无航摄漏洞，航向超出摄区范围三至六条基线。像片倾斜角<4°，旋偏角<8°，航线弯曲度<3%。无人机航摄系统的飞行质量符合标准要求。同航线高差小于30米，实际与设计航向小于30米。实际航线偏离设计航线不大于像片上10cm。像片位移误差小于30米。航摄影像清晰、无云影等遮挡，色彩均匀，满足设计要求。

2.2 像控点布设及刺点

2.2.1 像控点布设

A.像控点布设：像控点在航线方向上按10-15条基线布设，在旁向上按2-4条基线布设。布设的像控点能够有效控制住成图范围，保证测段衔接区域内没有漏洞。像控点应刺在航向及旁向重叠有5-6张像片的区域内。

B.像控点编号原则：测段像控点编号原则“GP+航片号四位+点序号”。

C.像控点布设完成后绘制布点示意图供内业加密和存档。满足空三加密及数字化采集要求。

2.2.2 像控点的刺点及整饰情况

刺点误差和刺孔的直经均小于像片上0.1mm，且刺透，无双孔。点位说明确切，略图完整明了，刺孔、略图、说明与实地柱位一致。

A、在像片正面上用红色直经为7mm的圆形整饰像控点，并注记点号。B、在像片的背面用铅笔绘制点位略图和标注文字说明等。

2.3 像控点测量

像控点坐标可以使用全站仪、RTK等常规仪器进行测绘。像控点的精度和施测要求参照常规航测外业规范执行。木次像控点测量采用双频GPS接收机，已知控制点为加密的一级GPS控制点。为保证像控点测量成果的可靠性，在全部像控点测量完毕后再收参考站。施测现场对点位进行拍照并制作成点位信息表供内业加密使用。将检查合格后的像控点数据进行处理，基线处理采用Compass静态处理专业版软件，得到该村片区像控成果。

2.4 该像控网精度

该村片区像控网①精度统计：

（1）线向量检核，同步环、异步环验算：

共验算同步环15个，其中环线全长相对闭合差最大为：6.52ppm，限差为：15.0ppm。

共验算异步环9个，其中坐标分量闭合差最大为：Wx = 4.46cm，Wy==6.46cm，Wz=6.36cm，限差为： =±21.06cm。

（2）三维无约束平差：

三维无约束平差最弱边相对精度为：1/15267，边名：2174-2173 （边长267 m）。

（3）二维约束平差

约束平差最弱边相对精度为：1/17725，边名：2174-2173 （边长267 m）。最弱点为2259，点位中误差±2.03cm，限差为：±20.0cm。

该村片区像控网②精度统计：

（1）基线向量检核，同步环、异步环验算：

共验算同步环14个，其中环线全长相对闭合差最大为：4.48ppm，限差为：15.0ppm.

共验算异步环14个，坐标分量闭合差最大为：Wx=-2.32cm，Wy=18.16cm，Wz=-12.55cm，限差为： =±21.06cm。

（2）三维无约束平差：

三维无约束平差最弱边相对精度为：1/14131，边名：2127-G04（边长545 m）。

（3）二维约束平差

约束平差最弱边相对精度为：1/34023，边名：2174-G04 （边长545 m）。最弱点为1187，点位中误差±4.19cm，限差为：±20.0cm。

从上述精度统计情况可以看出，该村片区像控网精度指标满足技术要求。

3 影像预处理

无人机航摄系统搭载非量测数码相机进行航拍，然而相机自身的性能对测量精度影响较大。未经过处理的航摄影像畸变差较大，无法直接用于空三测量等后续处理工作。所以，在影像进行空三加密前，需要先对其进行畸变差改正。在没有室内和室外高精度检校场的情况下，通常是根据非量测数码相机提供的鉴定报告，利用DPGrid系统内的小像幅影像畸变差校正模块对影像进行畸变差改正。

4空中三角测量

4.1 空三加密经过像点连接、像控点量测、平差计算过程

1）量测外控点时，先量测测区四周的像控点6个以后进行平差，其它像控点就可以通过预测的功能来找到大概位置达到快速量测旳目的。外控点的量测由专业人员进行，并由另外一位专业人员检查。2）应用外业工序提供基础控制点参与计算，提升空三加密的整体精度；应用外业工序提供的实测高程点检测空三加密精度。3）量测完后进行最终的平差解算，首先将物方标准方差权放大，进行粗差的消除，然后逐步提高物方权重，确保粗差被全部探测出，最后给合适的权值强制平差。

DPGrid系统中的空三模块为全自动空三软件。系统根据建好的航线列表进行全测区自动匹配，接下来通过自动挑点程序将粗差大、多余的像点剔除。然后，进行连接点的交互编辑，根据刺好的控制点进行光束法平差解算，直到加密完成，输出空中结果。

4.2 区域网空中三角测量

根据连接点（加密点）的影像坐标以和少量地面控制点的影像坐标及其物方空间坐标，通过平差计算，求解影像的外方位元素和连接点的物方空间坐标，称为区域网空中三角测量。空三测量提供的平差结果是影像后续处理与应用的基础。

5 DEM、DOM 制作

5.1 DEM制作

首先，根据空三加密成果，对无人机航摄的原始影像进行重釆样生成核线影像。其次，系统自动匹配三维离散点，得到摄区的DSM。最后，经过自动滤波便可得到DEM。虽然DPGrid系统实现了自动匹配，但是由于现实地物的复杂性（如水体、树木、阴影）以及人工地物的影响，所以实际生产中为了提高DEM的精度，需要对DEM进行人工编辑。因为DEM是原始航片进行纠正的基础，只有准确的DEM才能保证DOM的精度。

5.2 DOM制作

DPGrid系统全自动生成DOM主要包括：DEM数据处理、影像匀光匀色处理、DOM纠正处理、色调均衡处理以及DOM镶嵌处理。系统生成的初步DOM结果，还要经过人工编辑，对初始DOM成果进行颜色和几何处理，才能真正满足对DOM成果的要求。

6 1：2000地形图制作

配合DEM将DOM进行校正，然后在拼接生成完整的区域地图。最后，将区域整体导入到VirtuoZo NT软件中进行测图，生成最终的地形图（图3）。

图1 地形图

根据航空摄影测量内业规范及地形图图式进行地物、地貌要素的采集。外业调绘人员利用已有的图纸和测图数据，进行实地调绘、修测、补测等工作。

7无人机航摄影像成图精度分析

采用GPS快速静态方式获取该摄区外业检查点的坐标数据。该树片区抽查了 4幅图（占本片区图幅数的10%），共83个检査点。对比这些外业检查点的实测坐标与图上坐标，计算出两组坐标的及高程差值。根据点位中误差公式计算出每个检查点的平面中误差。具体计算结果如下。经过整理计算，该村片区地物点平面点位中误差为0.72m；高程中误差为0.69m。根据点位中误差计算结果绘制点位误差分布图。点位误差分布图更直观的反映了每个检查点的误差分布情况。可以看出绝大多数点位误差分布在0-0.8m之间，其平面精度满足1：2000地形图的要求。此外，我们将影像数据制作的地形图与已有的1：2000地形图数据在CASS中进行套合比较。

8本章小结

论文分析了无人机航摄系统的特点，介绍了无人机低空航摄规范。详细描述了无人机航测系统测绘1：2000地形图的具体工作流程，并对最终生成的地形图进行了精度评定，基本满足1：2000地形图的精度要求。

参考文献

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[2] 姬渊，秦志远等.小型无人机遥感平台在摄影测量中的应用研究[J].测绘技术装备.2008，10 （4） ：46-48.

[3] 刘小民.基于全数字摄影测量系统的数字正射影像图的制作[J].测绘科学.2010，35（4）：198-199.