无人机遥感在基础测绘快速更新中的应用

沈泉飞黄梦雪朱艳慧曹 敏

（1.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京210013;2.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京210023）

0 引 言

基础测绘是为经济建设、国防建设和社会发展提供地理信息的基础性、公益性事业，是经济社会可持续发展的重要支撑。随着经济社会的快速发展，基础测绘数据需要不断更新才能满足社会发展的现势性需求。在基础测绘更新中已经形成了一系列测量方法与更新机制，如徐加祥等[1]在2008年以盐城市为例，提出了建立一套基础测绘数据更新维护机制，用于数据更新、维护、管理以及地理信息数据资源共享。张海涛[2]在2012年论述了一体化测绘技术在基础地理信息数据更新中的应用。顾芒等[3]在2017年将增量更新技术运用到基础测绘数据库的生产更新中，设计并实现了地理要素数据库和数据库管理系统。这些基础测绘数据更新办法一般是采用常规航空遥感或卫星遥感数据更新，但常规航空遥感、卫星遥感具有航摄周期长、成本高、数据量大、处理周期长的特点，尤其不能满足小范围区域的快速更新要求。根据《江苏省“十三五”省级基础测绘规划》要求，作为常规更新工作的一项重要补充，我省需建立重要基础地理信息快速更新机制。

无人机遥感（UAV Remote Sensing，UAVRS）利用了先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，是具有自动化、智能化、专业化快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并可进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案[4]。现代社会中，遥感技术已成为人类获取地理环境及其变化信息的必备高科技手段。如崔丹丹等[5]在2013年将无人机遥感技术应用于江苏省海域和海岛动态监视监测中，极大丰富了我省海域动态监视监测手段。褚建春[6]在2017年将旋翼无人机遥感航摄系统用于大比例尺地形图测绘研究，获得了高分辨率地面影像，适用于小范围高精度航测。刘福春等[7]在2015年将无人机遥感系统用于土地复垦测量，该研究证实了无人机航空摄影测量比传统数字化测图在土地复垦中应用更为先进。任娟[8]在2015年利用无人机遥感系统，估算了研究区物源变化量，模拟了物源变化前后泥石流的堆积范围。王利民等[9]在2013年将无人机影像应用于农情遥感监测。孙磊等[10]提出了大区域无人机影像数据的快速几何处理。这些研究表明，无人机遥感具有体积小、造价低、适应性强、操作简便、获取影像速度快、地面分辨率高等一系列优点，可以实现对某一重点研究区域大范围遥感影像的快速获取。采用无人机遥感作为卫星遥感和航空遥感的有益补充，势必成为基础地理信息快速更新的重要手段。

本研究着重形成一套面向基础测绘更新的无人机航摄快速获取影像和快速生成高精度影像成果的处理方法，主要包括:作业区资料收集以及外业方案制定、无人机影像快速获取和无人机影像快速处理与精度分析。通过最终的精度评价，进而论证无人机遥感满足基础测绘地理信息快速更新的需求。

1 无人机航摄控制点布置

本研究选取南京市浦口区约1.5 km2的区域进行试验，依据研究区域上一轮基础测绘影像确定实验区范围（图1）:主要为公路所形成的九宫格区域。研究区域地形平坦、交通便利，高层建筑物少，主要为一些大型厂房设施，有利于起降点布置。在航摄区域中心附近架设一个地面GPS基站，可以保证航摄POS精度。该区域易于识别的特征点地面较多，共使用RTK采集了51个地面点，均匀分布于航摄区域，其中测区四角设置4个地面点为影像处理控制点，其余47个为精度检查点。

图1 航摄区域及基站、像控点、检查点分布图

2 无人机航摄影像获取

本次航摄使用的无人机为Wingtra小型电动无人机。Wingtra无人机系统具有操作简便、定点起降的特点，并支持高精度 GNSS（PPK/RTK）。Wingtra小型电动无人机空载重量3.6 kg，最大起飞重量4.4 kg，巡航速度55 km/h，航线规划、操作软件采用平板式智能地面站控制系统，操控简单、轻便灵活。Wingtra无人机可以在GPS精度下全自动垂直起降，起飞时垂直上升，达到设置高度自动切换为倾斜上升，到达目标高度自动转为平飞进入航线，降落时达到设置高度自动切换为垂直降落的目的。飞机采用激光测高法辅助精准降落，误差小于2 m，免去起降场选择，降低起降要求。

航摄相机为Sony RX1RII，像幅7 952×5 304 pixels，像元大小4.4μ，定焦镜头为35 mm。一般无人机航摄相机是非量测相机，相机存在较大镜头畸变、像主点偏移等误差，其精度对影像处理精度有非常大的影响，因此必须严格标定相机参数。与传统卫星传感器、航空传感器相比较，无人机航摄姿态稳定性差是其主要特点，这也是影响其定位精度的主要因素。Wingtra无人机配置了高精度GNSS（PPK/RTK）系统，以获得无人机航摄影像的高精度外方位元素。

本次无人机航摄时间为2017年11月21日，天气晴朗，能见度高，风力小于4级，飞行采用自动起飞、自动规划飞行路线、自动降落模式，全程耗时约30 min，设计航高约390 m，航向重叠度为75%，旁向重叠度为60%，共计13条航带，拍摄影像276张，影像地面分辨率约为5.1 cm。航线和像主点示意图下所示（图2）。

图2 航线、像主点示意图

3 基础测绘更新中无人机航摄数据处理

随着无人机影像处理技术的成熟，可供选择的无人机影像处理软件也越来越多。目前市面上主要有Pix4D、APS、Correlator3D、Geoway等，各软件的处理效果及速度各有特点。本文选择Pix4D软件进行影像处理（图3）。

图3 基础测绘更新中无人机航摄数据处理流程

（1）影像筛选及POS数据解算。为了保证航摄区域有足够的影像覆盖，另外在航线拐角处，由于旋偏角过大造成一些影像无效，一般无人机航摄范围都会比所需范围要大。通过对影像筛选可以加快处理速度，提高影像处理质量。经过筛选，可供有效使用的影像共257张，影像实际地面覆盖范围约3 km2。航摄完成后，经过解算，获得所有影像的POS数据，将POS数据挂接在对应影像数据上，供PIX4D软件自动识别。

（2）空三加密，将经过筛选的影像、控制点数据导入Pix4D软件工程中，采用光束法区域网平差算法，解算航摄相机曝光点的正确坐标和姿态角，完成影像匹配，提取加密点，并与像控点进行联合平差，完成空三加密过程。

（3）Pix4D软件根据空三加密成果逐像素地计算地面高程值生成精确的DSM模型。得到DSM之后，进行数字微分纠正，将原始影像进行正射纠正并拼接成DOM。需要注意，Pix4D是根据DSM进行微分纠正的，由于原始影像的重叠率不是很高，因此生成的DSM在建筑物边缘精确度会受到影响，DOM可能在建筑物边缘处存在扭曲、拉花的现象，对于这些地方，需要手动编辑。

（4）Pix4D处理无人机影像可以选择快速拼接或者高精度处理方式。快速拼接优势是处理时间短、能够快速成图，但精度不高，只能满足应急需要。本次影像处理快速拼接用时约1 h，高精度处理用时约4 h 40 min，Pix4D工程中自动输出处理后的DSM和DOM数据（图4）DSM分辨率为1/2原始影像分辨率大小，DOM地面分辨率为原始航摄影像分辨率。输出处理结果精度报告。

图4 试验区DSM渲染图（a）和DOM效果图（b）

4 精度分析

为检测正射影像DOM制作精度，在ArcGIS软件里加载DOM和实测的地面点数据，利用47个检查点对DOM上的同名点进行对比（图5），得到详细的精度评价结果（表1—2）。

表1 DOM平面精度评价/m

表2 高程精度评价/m

根据图5和表1—2可知，平面位置精度中误差:X方向（东西方向）最大为0.074 m，Y方向（南北方向）最大为0.095 m，整体平面中误差0.044 m，最大误差为0.095 m，不超过2个像素。根据《1∶5 00 1∶10 00 1∶2 000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T 7930—2008）和《1∶5 000 1∶10 000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T 13990—2012），本次无人机正射影像误差精度已满足大比例尺测图要求，而基础测绘的误差精度相比于大比例尺测图精度要求要低。研究表明，无人机遥感完全能满足我省基础测绘地理信快速更新的需求。

5 结 语

（1）无人机遥感相比卫星遥感具有更高的地面空间分辨率，相比常规航空遥感具有更快的部署效率。本文对基础测绘快速更新中无人机影像快速获取与处理、结果精度方面进行了研究，探讨了无人机影像在基础测绘地理信息快速更新领域的可行性。研究认为，无人机遥感在基础测绘地理信息快速更新领域能够满足要求，具有巨大优势和广阔前景。

（2）本次研究只是基于小范围的无人机遥感影像处理实验，对于较大范围，需要多批次、多架次航摄的区域更新，还需要进一步研究。