无人机航摄在丘陵地区大比例尺地形图测绘中的应用研究

陈斯恺

(福建省地质测绘院，福州，350011)

福建的地理特点是“依山傍海”，尤其是中西部戴云山脉西侧更是接近90%为山地丘陵地带，高差较大，森林覆盖率达65.95%，采用常规性全野外数字化地形图测量方式或平板仪测量方式获取地形图，成本高昂，且成图效率很低。随着我国科学技术的不断发展，对于地形图需求的不断提升，低空无人机航摄基于其成本和效率2个方面的优势，逐渐在丘陵地区地形图的绘制中得到广泛的重视，并开始有所应用，但丘陵地区往往地形十分复杂，无人机航摄成图的精度还有待进一步的验证。因此，笔者主要对无人机航摄成图技术应用于丘陵地区1∶2 000地形图成图的精度进行了分析探讨。

1 无人机系统的组成及特点

1.1 系统的组成

无人机系统主要由2个部分组成，硬件平台系统及相配套的软件系统。其中硬件平台系统主要由5个部分组成，分别为通信系统、自动控制系统、无人机、拍摄任务系统及地面站[1]。

1.2 系统的特点

与传统航空摄影测量相比，无人机航空摄影系统的主要特点：①无人机平台飞行姿态不稳、图像小、重叠大，一般采用低成本、重量轻的非量测数码相机；②无人机航空摄影系统所使用的无人航拍相机的像幅较小，通常为了最大限度地利用图像的面积而设置为最大像幅模式。因为航拍照片的大小将直接影响摄影测量中基线的长度。当无人机用于航空摄影时，基线较短，而基线高度比相对较小，想要提高计算精度就变得更加复杂；③小型无人机飞行平台的特性决定了它很容易受到低空气流的干扰。无人机图像的重叠程度要比传统航空摄影的重叠程度大得多，使用无人机航空摄影时航向重叠率通常设置为75%～85%，旁向重叠率设置为35%～55%，以保证航空照片的质量和后续处理结果的准确性。

2 无人机航摄成图的精度控制要点

2.1 飞行姿态

无人机的飞行姿态对成图精度有直接影响，因此，要做好以下4个方面的具体工作：①正确安装航摄仪，并保证和机身之间的水平；②正确安装自驾仪，并在使用过程中严格依照规定进行维护；③当无人机进行航线拍摄之前，要反复就飞机飞行中立位进行捕捉，直至达到最佳飞行状态为止；④在设计航线时，应将风向的因素考虑其中，尽可能保证飞行作业时风向和航线设计方向一致[2]。

2.2 航线设计

对于无人机航摄成图精度，航线设计是其关键性工作之一，在规划航线的过程中，要将测区的地形特点、作业范围、精度要求以及相机参数等因素考虑其中，保证设计航线的最优化。主要具体检查3个方面的内容：①航线设计区域覆盖完整性，并保证分区内地形的高差不能大于相对航高的1/6；②规划航线走向的合理性，避免像主点落水以及侧风航行的问题；③存在自然因素以及飞行平台造成的不稳定影响，在拍照间距和航线间距的设定上应适当小于理论值[3]。

2.3 镜头检校

无人机航拍所获取的影像数据，在其边缘处多少都会存在一些畸变，要通过参数检校的方式对存在的畸变进行纠正，以保证后期影像的精准度。为确保检校的精准度，必须定期按照规定在正规检校单位进行检校，在使用过程中如果出现强烈震动或仪器维修后也要进行检校，确保主距、主点坐标以及畸变差改正后的残余畸变符合规范要求[4]。

2.4 像控点布设方案

因为无人机所获取影像航片的重叠度很大，在像片总数和航线数上都比常规航片要多出很多，继而也就会导致外业量的增加，要合理进行像控点的布设以减少工作量，继而提高测绘成图的精度。具体对以下3个方面采取措施：①将地形条件作为像控布点的基本参考因素，提升对整个测区的控制力度；②在像控点的选择时，应优先选择地物特征点处；③像控点设定时，应尽量设定在影像的六度重叠区域[5]。

3 无人机航摄在丘陵地区地形图成图中的应用现状

我国传统丘陵地区地形图的成图方式为全野外数字化地形图测量方式或平板仪测量方式的成图模式，其在成图的精度和效率上都较低。无人机航摄是近几年才逐渐发展起来的一项新技术，主要用于农业灌溉和军事领域。随着无人机整体技术的不断成熟，鉴于其高精度的拍照能力，在我国地形图成图领域内开始得到广泛重视，尤其是在山区、丘陵人工成图难度很大的地区更是开始得到尝试性的使用。

以我国贵州、云南为代表的西南山区，福建、浙江等地为代表的东部丘陵地区开始有一些地勘单位尝试性地使用无人机进行低空拍摄继而加工成地形图。但从整体的应用现状上观察，还属于前期的尝试性阶段，有必要拓宽应用，并加大研究探索。

4 在丘陵地区1∶2 000地形图成图与精度控制的实例研究

为了进一步探究无人机航摄在丘陵地区1∶2 000地形图成图应用中的精度情况，笔者选择大田县桃源镇前厝村1∶2 000地质灾害整治地形图绘制项目为例加以说明。

该地区最低海拔480 m，最高海拔630 m，属于典型的丘陵地区，地形较为复杂，植被以耕地和树林为主。项目区的面积达到11 km2，测量区交通不便，植被十分茂盛，GPS卫星信号和福建省CORS信号很差，采用常规的测量方式效率低，故而选择无人机低空航摄的方式完成该区的测绘工作[6]。

4.1 像控测量

测区植被覆盖率很高，项目组决定先选择布设像控点然后再进行无人机航摄作业。像控点的选择：地形相对平坦、无遮挡物和障碍物、距离电磁辐射源较远、点位易于制作为像控标志、交通较为便利、点位布设于影像的6度重叠区域内。以石灰作为像控点的标志点，呈十字形，长20 cm，宽15 cm，并采用GPS-RTK方式对像控点进行测量，当可正常使用GPS时，在固定解状态下完成测量。每个像控点都测量2次，取2次均值为测量值。在该测区一共布置70个像控点，23个检查点。

4.2 低空航拍

镜头采用索尼A7MII和35 mm的定焦镜头，镜像幅面7 952 p×5 304 p，相机分辨率4 200万像素，像元大小为4.5 μm。因为在测区其相对高差较之航高的1/3更高，在该次测量中设定2个基准面，分别为500 m和600 m，设计2个架次航线，航向覆盖超出摄区边界线一条基线，航线按常规方法敷设，摄区边界实际覆盖不少于像幅的30%，相对航高600 m，同一航线上相邻像片的航高差5～30 m；最大航高与最小航高之差低于50 m，航摄分区内实际航高与设计航高之差低于50 m，地面分辨率优于0.067 m。在拍摄上一共获得1 050张原始影像。

在完成航摄后，对影像质量和飞行质量进行检查(表1)，经过检测所有影像质量和飞行质量都满足国家标准的相关要求[7]。

表1 影像质量和飞行质量检测标准

4.3 数据处理

该项目选择德国INPHO公司的INPHO MATCH-AT软件对生产的像片进行空三加密处理，选择清华山维的EPS软件和适普公司的全数字摄影测量Vir-tuoZo完成立体采集和成图的编辑[8]。具体处理流程如(图1)所示。

图1 无人机航拍影像流程图Fig.1 UAV aerial image flow chart

项目区依据2个架次航拍原始数据创建qiancuo1和qiancuo2工程，每个工程的数据均单独进行处理。在工程的建立过程中，需要就航拍类型、地面高、航拍等工程参数进行设定，同时还要就像素大小、像片宽高等相机参数进行设定以及导入GNSS/IMU数据，此过程中还引入了控制点的设置[9]。首先对通过外业获得的原始影像进行畸变校正，该过程以相机检校文件为基础，通过专门的矫正软件完成畸变的消除工作。完成畸变消除后，将像片数据导入INPHO MATCH-AT软件中，然后对导入的像片进行航带定义金字塔等预处理，再输入航空摄影测量控制点成果，最后进行空三测量，获取自动连接点，即同名像点。

INPHO MATCH-AT同名点通过全自动匹配的方式完成，在进行匹配前将航带和所对应的像片对齐，在设置相应的匹配参数后，即可以进行自动化的匹配。完成自动匹配后，还要进行标准点、错误点检核工作。此处可通过交互编辑手工挑点的方式，将其中的错误点筛选排除，就匹配点不足的区域进行人工改善[10]。在完成交互编辑，保证测区像点点位误差在0.006 4 mm内，就空三加密结果的精度进行输出(表2)。

表2 项目测区检测点和基本定向点精度

在完成绝对定向后，根据国家标准的要求[11]，区域网平差结果检查点误差、基本定向点残差不能大于表3所示。

表3 检查点误差、基本定向点残差最大值标准

从表2和表3所显示的数据可知，在项目区无人机航拍影像数据中所涉及到的检查点、基本定向点都比表2中的最大值标准要小，因此在定向精度上符合1∶2 000数字线划图(DLG)及数字正射影像图(DOM)的精度要求。

通过以上几个步骤的数据处理，最后可输出DOM产品，将输出产品通过影像拉花编辑、拼接线编辑整饰后，可使图面的色彩等各个方面更加完美。采用先内后外的方式完成DLG的作业，然后再将内业所初步生成的DLG成果和DOM进行叠合，将其覆盖到DOM之上，制作调绘片，提供外业的实地调绘工作。在外业部分，就内业所获得的成果到实地进行进一步的校对，并对存在误差的部分进行更正，最后在整体上就外业的成果进行编辑整饰，完成最终的无人机航摄下的1∶2 000丘陵地区地形图。

4.4 精度分析

在最终完成丘陵地区地形图的精度检测上，采用全站仪和GPS-RTK进行实地打点检测。其高程精度的检查点主要设定在水沟沟底、田坎交叉处、道路交叉点等部分，平面精度检查点的设定应当选择具备明显特征的地物点。在检查点的选择上，整体上必须保障其代表性，并保持整体分布均匀性。在该项目的精度检测上，一共设定了110个高程精度检测点，通过测量，最后获得的中误差为39 cm；平面检查点一共设定210个，最后获得检测中误差为42 cm，通过比对相关国家标准[12]中对1∶2 000地形图的误差要求，平面高程精度均符合规范要求。通过精度检测分析，可知基于无人机航摄的丘陵地区1∶2 000地形图成图精度在高程精度以及平面精度上都符合大比例尺地形图测绘的精度要求，值得在我国丘陵地区地形图的测绘中推广使用。

5 结论

无人机航摄作业过程中的飞行姿态、航线规范、镜头检校、自动空三与模型创建、像控点布设、立体采集等是影响成图精度的主要因素。通过该项目的研究成果证明：科学地控制无人机航摄生产过程中的精度因子，可以提高无人机丘陵地区生产大比例尺数字地形图的经济效益和成图精度，并且成图精度满足相应的国家标准。该项目的研究成果可在无人机航摄领域为后续的研究人员提供一些可参考之处，具备一定的理论意义。