无人机航摄大比例尺地形图测图技术探讨

熊国文

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∶1000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                                   文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0021-02

无人机低空摄影测量技术，以无人机为飞行平台，以高分辨率数码相机为传感器，可快速获取真彩色、大比例尺、现势性强的航测遥感数据。下面以江西某测区为例，具体说明无人机航测绘制1∶1000地形图的过程。项目采用“1980西安坐标系”和“1985国家高程基准”。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∶1000比例尺一套））、DOM制作、DEM制作、质检验收等工序。

1  前期准备

1.1 设备参数

选用北京朗天博泰科技有限公司生产的 LT-150无人机，其采用双频 GPS，载荷6kg，续航时间12h。搭载的数码相机为佳能5DMark2，2110万像素，分辨率为5616×3744像素，相机镜头焦距为25mm，影像地面分辨率为8cm，像幅为5617×3742pix，像元大小为6.42μ。相机自重约810g，配合云台搭载在T-150无人机上采集影像。地面站软件支持大区域总体航测航线自动规划、自动切割分区;支持飞行过程中随时进行航线调整与飞行任务改变;支持按精度要求和测区边界多边形自动生成航线。

1.2 无人机飞行设置

为保证本次无人机航拍质量，飞行前对无人机系统各种软硬件进行必要的检查，保证无人机系统处于最佳工作状态。选择晴朗无云天气，且风力较小的时段进行外业航拍作业。事先通过飞控软件选好航拍区域，设好像片地面分辨率、航向重叠度、旁向重叠度等参数，飞控软件系统会自动计算飞行航线，设置飞行高度约为250m。

航飞后及时对质量进行检查，立体像对的航向重叠度不得小于60%，相邻航线的旁向重叠度不得小于30%;相邻像片航高差不得大于20m，同一航线内航高差不得大于30m;航摄漏洞检查是检查全测区是否完全被立体像对所覆盖;影像应清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，可辨认细小地物。

1.3 外业像控点布设

外业像控主要包括两项：（1）通过地面布设像控点，将影像坐标系统和测图坐标系统联系起来。像控点的布设采用区域网布设，选刺执行《低空数字航空摄影测量外业规范（CH/Z3004-2010）》航向方向按照4～6条基线，旁向方向按照每隔1～2条基线进行布设，能有效控制住成图范围;像控点的测量执行《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范（CH/T2009-2010）》，采用RTK方式双参考站快速静态测量，本次在航拍区域均匀布设4组共12个平高点，所有像控点均采取喷漆方法在地面明显地方喷0.8m×0.8m红十字标志，每个像控点的重叠像片数量均不少于6张。

（2）像控点平面及高程成果采用GPS RTK方法进行测量，测量前在附近已知控制点上进行校正，采用控制点测量模式进行测量，测量次数均为3次，采取3次平均值作为像控点最终坐标成果。

2  像片控制

2.1 影像资料分析

全摄区无航摄漏洞，航向超出摄区范围3～6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30m。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

（1）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。像控点刺在航向及旁向重叠有5～6张像片的区域内。

（2）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”。

（3）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。

（1）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。

（2）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。

3  空中三角测量

3.1 空三加密

空三加密采用德国 INPHO 公司生产的INPHO全数字摄影测量系统，由摄影测量学家阿克曼教授主导研制，该软件具有独特的高精度、高效率、高智能化特点，在数字航空影像领域应用广泛，能够同时兼顾内业效率和产品质量。空三加密包括像点连接、像控点量测、平差计算等过程。

具体流程如下：（1）先检查外业控制点文件和相机文件输入正确性，确认无误后开始量测外控点;（2）放大物方标准方差权，消除粗差，逐步提高物方权重，直到探测出所有粗差;（3）利用优选权值进行平差处理。

（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，其他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。

3.2 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。

4  DEM、DOM 制作

4.1 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。

4.2 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。

5  1∶1000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（见图1）。

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。

6  无人机航摄影像成图精度分析

采用GPS快速靜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1.5cm;高程中误差为1.1cm。

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0～0.39m之间，其平面精度满足1∶1000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∶1000地形图数据在CASS中进行套合比较。

7  结语

本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∶1000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∶1000地形图的精度要求。

参考文献

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[2] 姬渊，秦志远.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] 张欣欣.轻小型无人机飞控测姿数据辅助测图精度分析[J].测绘科学，2019，15（1）：21-24.