航空摄影测量与传统测量在大比例尺地形测量中的精度研究

林善志

(湖南省核工业地质调查院，湖南 长沙 410000)

0 前言

随着经济社会的高速发展，特别是大中城市大比例尺地形图数据库建设的完成，大比例尺地形图数据的现势性问题已成为用户关注的热点问题。大比例尺地形图的传统测绘主要采用全站仪、GPS-RTK等测量设备，测量技术人员需要进行实地测量，野外工作周期长，效率低，且受到天气和实际地理环境的限制，无法快速高效满足用户对大比例尺地形图数据提出的“持续更新”的要求。目前，大比例尺地形图测绘应用了先进的数字航空摄影测量技术，在该领域中无人机航空摄影测量系统有了较大的发展。无人机航测作为对信息数据采集的一种方式，与传统的数据采集及更新技术手段相比，其拥有对天气的适应性强、拍摄成图精度高、同时间内无人机拍摄覆盖面大、拍摄成本低等优点，很好地解决了传统大比例尺地形图测绘面临的困难。航测也逐渐成为了大比例尺地形图测绘的主要技术手段。

1 无人机作业流程

1.1 无人机航摄系统介绍

大疆精灵Phantom 4 RTK是一款面向低空摄影测量的小型多旋翼高精度航测无人机，提供厘米级导航定位和高性能成像系统、相机微秒级同步、app航线规划等功能，便携易用，全面提升航测效率。其基本构成包括：无人机飞行云台、飞行导航和控制系统、GS Pro地面监控系统以及内业数据处理系统。

1.2 影像处理

将获取的航片影像数据及POS数据在RTK和PPK模式下，结合PIX4D软件处理，对POS进行投影转换，转换为目标坐标系。匹配已知的基准点坐标和准确的相机参数自动完成影像定向、空三加密，实现免像控影像自动镶嵌和拼接处理，从而获取高精度的DEM和高质量的DOM 数据。

1.3 地形图测绘

利用PIX4D软件处理，生成tif格式的正射影像数据和osgb格式的数字高程模型数据。在EPSD2D三维测图软件上加载DSM倾斜模型，进行三维测图采集工作，主要有房屋及构筑物、乡村道路、河流及桥梁、杆线、沟渠、地类范围等可以辨认的各类地物；进行高程点的提取。导出Cass格式数据文件，利用CAD成图软件进行坐标系统转换、数据编辑、高程点过滤、绘制等高线、修饰图幅等工作。

2 成图精度影响因素分析

2.1 航测法成图

(1)POS数据精度。飞机姿态控制、动态差分定位精度以及后期的航测数据处理精度对成图起着相当关键的作用。若遇到地形起伏变化较大、植被复杂地区需要增加地面控制点的数量，以提高测区成图精度。

(2)影像质量。影响影像质量的有天气因素和相机本身。相机的像素大小与所选取的相机有关，而曝光时间的选取和天气有着密切的关系，光线条件较差时，增加曝光时间会达到较好的效果。

(3)重叠率。重叠率是提高相片连接点的重要保障，重叠率的调整要根据无人机飞行时间和飞行区域而定。重叠率低，可能会导致每个地物点仅会在少量航片中显现，提取的连接点也会变少，将导致飞机的照片连接粗糙，直接影响后期数据处理的精度。

(4)飞行高度。飞行高度主要对飞行航片中的GSD有影响，飞行高度的变化必然会影响航片相幅的大小。具体作业过程中应根据实际地貌地形，综合考虑相片分辨率、测量精度及比例尺选择合适合理的飞行高度。

2.2 传统测量方法成图

传统测量方法主要包括全站仪和RTK等测量设备野外实测，内业处理成图。RTK精度与接收机、信号传播路径，卫星有关的误差、基准站、数据链、流动站、数据处理等因素影响有关，外业实测对作业环境要求高，需视野开阔；全站仪精度受仪器参数设置、观测误差、观察环境等因素影响，野外实测要求通视条件好，且有累积误差。

3 试验

为与传统测量方法成图精度进行对比分析，决定对试验区进行1∶500地形图采用低空无人机免像控测量技术与外业检核相结合的方法进行地形图测绘。测区位于长沙市宁乡某区域，测区范围约为1.4 km2。此处为乡村的小型住宅区，地形平缓，区域主要以房子、农田菜地为主，道路贯穿整个测区。具体作业流程如图1所示。

图1 试验流程图

3.1 航空摄影情况

根据试验区形状大小以及无人机有效航摄面积，只设1个航摄分区。

(1)航前检查。为保证任务的顺利进行，起飞前结合航飞自控系统重新对无人机进行IMU校准，确保飞机的GPS、失控行为设置、罗盘、返航高度、避障雷达、预警电池电量及安全返航电量阈值、空速管及其俯仰翻滚等状态良好，避免在航拍中危险情况的发生。还需检查测区范围内是否存在高大建筑，预测高大建筑物高度，以便设定合适航高。

(2)航线设计。在GS PRO中，设置了飞行航线规划和飞行参数。其中，航向重叠率为80%，旁向重叠率为80%，飞行高度120 m，航摄影像地面分辨率为35 mm。

(3)航飞监控。划定区域，设置了飞行高度、速度、重复率、调整边距等相关的参数，实时掌握飞机的姿态、位置、方位、即时风速风向等重要状态，便于操作人员实时了解任务的执行情况，确保航飞任务的安全。飞机自动起飞，航测结束或电池电量过低后会自动返航。

3.2 影像处理及DLG制作

航拍任务完成后，利用转换过的静态数据以及航测影像在UBase软件中进行PPK解算并导出POS数据；结合PIX4D软件处理获取高精度的DEM、DOM数据，DOM成果如图2所示。通过DOM数据以及野外调绘，完成DLG数据成果，如图3所示。

3.3 地形图精度分析

依据《数字测绘成果质量检查与验收》(GB/T 18316-2008)规范规定，采用全数检查的方式，利用传统测量方法对大疆精灵Phantom 4 RTK免像控航测摄影实景地形图检验。

利用全站仪和基于CORS系统的RTK测量技术联合测量的地形图，实地精确测量选取测区860个地形地物特征点。其中，平面地物特征点主要选取比较明显、便于观测的点，包括房子墙体拐角、道路交叉点、沟渠边界、独立地物中心点等，高程检查点选择水泥道路开阔中心点等。运用DLG立体采集，参照外业实测的特征点位的位置，内业采集模型每个特征点的平面坐标、高程值，比较每一组对应点的数据，使用均方根误差(RMSE)对研究输出的平面度和垂直精度进行评估平差，统计出两种测量方法对地形图建筑物、道路边界的特征点的平面精度中误差为0.055 m，高程精度中误差为0.045 m。

图2 试验区DOM

图3 试验区DLG

根据《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》(GB/T 18316—2008)和本次测量的结果比较可以得出，传统测量方法测图特征点精度高，但全站仪测量房屋等特征点需要转站，存在误差累积，效率低，整体测图的精度不高；利用无人机航测所得到的测量成果整体精度高。因此，应用大疆精灵Phantom 4 RTK摄影系统解决方案制作的地形图，平面精度整体上可以满足1∶500线划图的生产，部分建筑物遮挡区域需要外业调绘，高程由于基准的不同存在一个常数差。

4 结语

无人机凭借快速高效、机动灵活等优势，充分发挥了完全不需要人工操作的特点(规划好区域后飞机会自动起飞，自动测绘，自动返航降落)，提升了大比例尺地形图成图效率与精度。通过实地应用，与传统测量方法获取成果进行精度分析，尽管航空摄影测量个别特征点精度不高，但整体精度符合测图要求，缩短了作业周期，降低了作业难度和成本。预见其在今后的生产建设和应急测绘领域，将会带来颠覆性的革新。