低空无人机大比例尺测图应用研究

陆植林

摘要：利用无人飞机获取的航空影像进行地形图测绘，对影像获取困难地区以及需要快速成图的地区有着重要的现实意义，其快速，现时性强等特点，将在城市规划，数字城市建设，国家应急救灾，地理国情监测，新农村测绘保障和工程测绘等方面发挥积极的作用。

关键词：无人机航测；大比例尺；地形图测绘

1 引言

近年来，随着经济建设的高速发展，地表形态发生着快速的变化，很多行业迫切需要实现地理空间数据的快速获取与实时更新。航空摄影是快速获取地理信息的重要技术手段，在空间信息的获取与更新中起着不可替代的作用。随着无人机与数码相机技术的出现与发展，基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势：首先是低廉的人力物力经济成本；其次具备及时性和灵活性；第三是高效的应急反应，可以在较为恶劣的气象条件下和灾难环境中完成任务；再者，无人机可以在云层下低空飞行（基于比例尺不同，飞行高度大致在350米-1800米左右），相对于载人飞机航飞因云层遮挡等影响几乎不存在，可以根据气象条件来调整作业时间已确保获得的高质量影像。此类服务已被广泛应用于城市规划建设、资源调查，矿山林业资源开发监测、大比例尺影像获取、地质灾害监测、新农村建设、数字城市建设等方面。

2 无人机航测系统组成

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机航测系统以无人驾驶为飞行平台，负载数码相机进行拍摄，通过航测数据处理软件进行处理。其主要由以下几个部分组成：无人机飞行平台，飞行控制系统，影像获取设备，通信设备，遥控设备，地面信息接收与处理设备。如图1所示。

其飞行控制系统主要包括：稳定飞行姿态的垂直陀螺，获取飞行平台位置信息的GPS接收天线，以及控制飞机自主飞行的微处理器。地面配套设备主要包括：实时影像的接收与显示的数据接收终端，数码相机获取的地面高清影像的數据处理终端，以及控制飞机起降，飞行和拍摄的遥控设备。

在作业过程中，垂直陀螺能测量飞机的俯仰，翻滚姿态角。同时垂直陀螺与微处理技术的相结合，使飞机可以在自主飞行时保持在近似水平状态。机载通信设备将摄像头获取的实时影像，GPS位置数据等传回地面数据接收终端，以使地面控制中心对飞机的飞行和拍摄情况进行监控，及时修正航向，飞行姿态等。最终获取的高清影像通过地面相配套的数字摄影测量工作站进行处理。由于这些影像的重叠度，倾斜角与传统摄影测量相比较大，其具体的处理方法与传统的处理方法有所区别。

3 数字测图系统

3.1 无人机影像处理软件

现代航测全自动空三无人机影像处理软件cloud-ATVer.1.0 是一套全数字化的摄影测量系统，能够处理现有航摄相机，数码相机，组合宽脚相机影像，适用于普通飞机航摄，低空轻型机航摄，交向摄影影像，倾斜影像以及复杂航线多基线摄影影像数据处理，通过多视影像匹配自动构建空中三角测量网，配合低空遥感的高分辨率影像，实现高精度航测定位。cloud-ATVer.1.0 软件具有自动空中三角测量功能，自动生成DEM功能，自动生成DOM功能，自动生成DSM功能以及相机校验等多种使用功能。其特点如下：

（1） 可以处理传统大飞机也可以处理无人机影像数据，支持由GPS，无GPS等条件下的空三解算；

（2） 支持海量数据的自动化处理；

（3） 自动匹配准确，空三加密速度快。

（4） 对硬件配置要求低，普通电脑即可进行空三计算。

（5） 经过处理的数据可以直接进行立体测图。

（6） 具备相机校验功能，节约了相机校验的相关费用。

3.2 数字测图系统

给予micro station J平台开发的SSK数据采集软件。该软件配合武汉海地公司生产的三维鼠标及立体眼睛，比手轮脚盘方式的测图更能提高效率并较大程度的节省了人力，可以准确的进行地图测绘。该系统中包含地类数据库，可以方便的进行选择，并且可以输出为通用的CAD图形，操作简单易行。

3.3 测绘大比例尺地形图的作业流程

无人机低空摄影测量系统测绘大比例尺地形图的工作内容主要包括获取测区影像数据，野外像控点测设，内业空三加密以及数字测图几个步骤，其中内业空三加密主要输出加密后的影像，DEM数据，记录影像大地坐标和3个角元素的文件，记录自动提取的特征点的大地坐标文件，精确匹配后确定的用于相对丁香和空三平差的定向点影像坐标文件，相机文件，空三精度报告以及照片的外方位元素等，经过空三加密后的影像可直接导入SSK进行数字测图。其中空三作业流如图2所示。

4 大比例尺低空航测外业调绘

4.1 调绘原理

像片调绘是航空摄影测量工作的一部分，主要为航测内业提供调绘像片。

像片调绘包括判读、调查、绘注等项内容。判读，是根据像片上的影像识别目标。判读的内容主要是地物，包括独立地物、居民地、道路、水系和植被等，以及不能用等高线表示的特征地貌和土质。判读时，要根据测图比例尺和测区特点，对地物地貌进行适当的综合取舍。调查，是实地搜集像片上没有影像的制图要素，其主要内容包括调查各种地理名称（山名、江河名、居民地名等），量测必要的比高及其他说明注记，以及补测航摄后的新增地物和像片上影像不清晰的地物。绘注，是把经过判读、调查中确定选取的地物地貌和注记，用规定的符号和颜色描绘在像片上，片与片之间要接好边，使调绘像片的内容符合地形图的要求。

4.2 调绘方法

像片调绘有全野外调绘和综合判绘两种方法。野外调绘一般与像片控制测量工作同时实施。先在室内描绘调绘工作边，然后拿像片到实地对照、调查、量测，并用铅笔将地物地貌绘注在像片上，最后在室内按规定的颜色进行着墨整饰和接边。这种方法准确、可靠，但劳动强度大。室内判绘，首先应搜集测区有关资料，制作典型地区调绘样片，参考调绘样片和其他有关资料，利用判读仪器或立体侧图仪器进行判绘，最后到实地对判绘成果进行检核和补绘。这种方法充分利用了已有地形资料，效率高，劳动强度小。但是，只有像片的地面分辨率、判读仪器和参考资料满足一定条件，以及判绘者有较丰富的经验时，才能取得较好的室内判绘效果。

4.3 判读标志

航空像片是在航空遥感平台上通过摄影机所获得的可见光和红外光的光学摄影像片。它采用中心投影方式成像，对于没有经过正射纠正的像片，受中心投影的控制，其边缘分布物体，常发生误差和畸变。从航空像片上可以看到地物的顶部轮廓，这与日常生活中观察目标地物的视角不同。航空像片解译，需要利用熟悉的区域和熟悉的地物类型进行练习，掌握认识目标物顶部形态的技巧。像片的判读标志又称解译标志，它是指能够反映和表现目标地物信息的遥感影像的各种特征，这些特征能帮助判读者识别遥感影像上目标地物或现象。解譯标志分直接判读标志和间接判读标志。

航空像片的判读通用的方法有两种：

（1）直接判读：通过上述影像的判读标志直接辨认他物并解译内容。

（2）逻辑推理与宏观分析：在直接判读的基础上，分析这些影像特征所反映的地物之间的内在联系，并在逻辑推理的基础上，进一步对影像特征之间的关系进行宏观规律的分析，通常要用几张或十几张航片结合起来进行分析。只有掌握了宏观规律以后才能理解局部的影像特征。

任何遥感影像的解译结果都必须经过一定的野外校核和检查，以检查其分类程度和制图程度的准确性。

5 低空无人机航测技术的发展

5.1低空无人机测绘遥感系统

"中测系列无人机测绘遥感系统"项目研制出的"垂直尾"、"倒桅尾"、"双发"三种型号的无人机测绘遥感系统具有机动性强、适用性强、运行成本低的特点，是应急测绘、新农村建设测绘等应用所急需的新型测绘技术装备。其研制的中测"双发"型无人机测绘遥感系统实现了雪域高原历史上首次无人机航测，开创了青藏高原地区的无人机测绘遥感技术应用先河。同时，创新性地在国内首次实现了无人机测绘遥感系统基于GPS导航控制的定点曝光摄影以及飞控系统控制的自动旋偏修正技术，采用了经高精度几何检校标定的小型数字相机，航摄成果能满足大比例尺测图。通过鉴定的两个项目的多款产品已在应急测绘、小城镇新农村建设测绘、重大工程测绘、困难地区测绘、国土资源监测等国家重大工程和经济社会建设等多方面进行了实际生产作业，取得了良好的经济和社会效益。

5.2 低空无人飞行器航测遥感系统

通过鉴定的两套"低空无人飞行器航测遥感系统"是我国航空遥感技术体系的重要组成部分，其成果具有设计系统性、产品实用性和技术创新性，达到国际领先水平。这两个项目的产品已在国家重大工程、抗震救灾、数字城市建设、新农村建设以及经济社会建设这项技术在我国得到了快速发展和应用，积累了丰富的技术资源。山高起降条件差、云层低，应用常规航空摄影较为困难的地区，引进低空无人机航摄系统，一方面可快速、高效地获取高精度航空影像，极大地提高测绘成果的现势性，大幅度提高测绘应急保障服务能力；另一方面获取的高精度影像经快速处理后可广泛应用于城市规划、城市变化监测、重大工程项目、应急救灾、国土资源遥感监测、资源开发、农林监测与估产、新农村和小城镇建设等方面，对促进我国城市建设和提升社会管理效率将发挥重要作用。"低空无人飞行器航测遥感系统"的发展和推广对测绘行业发展十分重要，是解决测绘成果现势性的迫切需要，是提高测绘应急服务保障能力的迫切需要，是构建数字中国、建设数字城市的迫切需求。

6 低空无人机大比例尺测图技术的发展前景

低空无人机航空摄影测量技术是一种智能化、自动化、高效快速、经济节约的测绘方法。可进行小面积（甚至几平方公里）大比例尺地形测量，将常规测量的大量外业工作转入内业，缩短成图周期、提高工作效率。随着数码相机、通讯技术、GPS定位、惯性导航等技术的不断发展，加之我国即将对低空空域的开放， 低空无人机航空摄影测量技术将会广泛的应用于各行各业。

参考文献：

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[3] 张建霞，王留召，蒋金豹.基于数字影像的低空摄影测量研究[J].测绘通报，2006，12.