无人机航摄系统测绘大比例尺地形图应用

李春锋 金路

摘要：无人机早期主要应用于军事活动中，随着科技和经济的不断进步，经济的不断发展，其技术逐渐应用于测绘大比例尺地形图领域。无人机航摄具有简便、经济、灵活等特点，将无人机技术与航空摄影测绘技术相结合，对我国测绘大比例尺地形图具有相当大的作用。本文论述了无人机航摄系统的构成，通过航摄系统绘制大比例尺地形图的流程和实验，让我们进一步了解无人机航摄的巨大作用，希望能对我国的测绘工作带来帮助。

关键词：无人机;大比例尺地形图;航摄系统

中图分类号：P231                文献标识码：A

大比例尺地形图的传统测绘是采用静态测量技术，首先布设首级控制网，通过CLASS RTK与全站仪相结合来进行碎部测量。这种测量效率低，测量难度高。而无人机作为一种新的监测技术，其准确性高，灵活性好，成本低而且操作方便。很多复杂地形地区都可以进行精准地绘制。本文主要通过对无人机航摄系统绘制大比例尺地形图进行研究，为我国的测绘工作提供参考。

1 无人机航摄系统概述

无人驾驶飞机简称无人机，包括固定翼无人机、多旋翼无人机和无人飞艇。而无人机航摄系统是以无人机为平台搭载传感器设备，通过GPS定位技术以及远程控制和通信技术来进行地理信息的获取和地形图的绘制。[1]

1.1 无人机航摄系统的构成

1.1.1 无人机种类

无人机主要分为固定翼无人机和多旋翼无人机。固定翼无人机具有很快的飞行速度，而且可以飞得很高。可以通过参数的设置和地面的控制，规划飞行路线，固定翼无人机能按照事先规划好的路线进行飞行。固定翼无人机操作简单、方便，不需要助跑就可以直接起飞，具有直升飞机的起飞特点，可以持续1h远距离飞行1 h。固定翼无人机对降落地无特殊条件要求，适应性强。下面是固定翼无人机规格参数。

多旋翼无人机主要由电机、机架、螺旋桨组成，其他设备还需要有控制系统、遥控设备、摄像设备等，可以通过控制系统发出的命令改变而进行飞行状态的改变。

1.1.2 无人机飞行平台系统

无人机的飞行平台系统可以让无人机保持飞行的姿态平稳，抗干扰性强。无人机机体由玻璃钢或者碳纤维复合材料制组成，内部中空，有很大的空间来用于安装提供其他设备和的安装和维修。根据控制系统的型号以及无人机的主要干设备可以确定设备仓的空间大小。无人机的发动机和螺旋桨都安装在无人机的头部、两翼或者是机身尾部，螺旋桨的旋转给无人机提供动能。因为不同的地区所拥有的地理形式不一样，无人机的起降也被设计成多种形式，包括滑行、伞降回收、车载起飞等模式。无人机飞行平台由无人机机身、无人机推进系统、电源系统和自动驾驶系统等组成，其作用是将传感器带到特殊的地理位置进行采集地理信息[2]。

1.1.3 无人机飞行控制系统

无人机飞行控制系统由中央计算机、导航定位装置、电源、传感器等部分组成，用来实现对无人机各种参数的控制。无人机飞行控制系统是通过任务载荷来获取高度、风速、经纬度等飞行参数，从而对无人机的飞行进行调整。它还具有可以控制无人机的飞行与降落、无人机的飞行管理等多种作用。无人机的传感器包括GPS传感器、空速管、垂直陀螺等，它的任务设备包括相机、红外热像仪、倾斜摄影相机、合成孔径雷达和视频摄像机。

1.1.4 数据传输系统

数据传输系统分为地面和空中两个部分，用于无人机与地面的通讯。空中的数据传输系统包括数传电台设备、传输接口、传输天线等，其作用是保证地面和空中良好的通讯传播[3]。

1.2 無人机航摄系统优点

无人机航摄系统通过传感器设备对作业区域进行地理信息的获取，以此对获取的信息经过处理后，最终获得我们所要的地形图和数字三维模型等产品。无人机航摄系统具有以下优点：

（1）应用范围大。无人机航摄系统可以搭载多镜头相机在多个角度对相关地理各种地形地形进行拍摄，来获得地理影像，这对于三维模型的形成有很大的作用。（2）操作方便，成本低。无人机体型比较小，比较灵活，操作简单，而且耗费的成本低廉。（3）镜头分辨率高。无人机航摄系统搭载的摄像头分辨率高，而且无人机适合各种地形的拍摄，更容易拍摄出高清晰度的图像。

2 无人机航摄系统测绘大比例尺地形图流程

2.1 无人机摄影

无人机航空拍摄中的硬件设备影响信息的处理系统和分析系统，硬件设备主要包括地面监控设备、遥感设备、飞行控制系统以及传感器等，处理视频影像主要包括DEM、DOM以及数据影像处理系统等。数据分析系统具有数据管理、分析、检索等功能。

2.2 像片控制

像片控制是无人机航摄测绘大比例尺地形图中的重要组成部分。像控点在航线上需要10十到15十五条基线来进行布置，旁边也要二2到四4条基线布置。一般使用全站仪来进行测绘，根据测绘来控制像控点的精度。

2.3 图像预处理

因为在无人机的拍摄中数码相机的画幅比较小，所以需要图像预处理技术来达到良好的测量精确度。没有经过预处理的图像会产生形变，给后续的工作带来很大困难。可以通过采用DP Grid系统来调整图像的畸变差。无人机航摄图像预处理方法一般有两种，分别为噪声去除法和镜头畸变校正法。在图像的拍摄或者传输的过程中会受到噪声信号的干扰，从而影响图像的正常生成。通过滤波处理，可以去掉图像中的噪声信号，将拍摄好的图像经过处理后转变成数字信号，经过傅里叶变换变成频域信号，然后通过滤波器过滤掉噪声的频段，只留下有用的频段，再经过逆向的傅里叶变换后，经过一定的处理得到滤波后的图像，从而达到过滤噪声音的效果。镜头畸变是由于实际图像的位置与坐标位置偏离而产生的现象，首先对将已设置高精度点空间坐标的控制场进行拍摄，并提取图像坐标，然后根据共线放出推导出图片的原始坐标，从而实现镜头畸变的校正工作。

2.4 空中三角测量

空中三角测量是无人机航摄测绘工作中非常重要的工作流程，通过空中三角测量可以为地形图测绘提供定向控制点和相片定向参数。空中三角测量主要是在SVSUAV软件中进行，首先在软件中新建一个工程，然后进行设置参数的设置，设置内容包括相机的参数、航带间对应、航带间旋偏角设置以及匹配设置等。所有的参数设置完成后通过软件按钮进行影像匹配，从而计算出平差。

2.5 DEM与DOM制作

DEM主要是采集无人机航拍后经过处理后的图片信息，生成核线影像，并通过DP Grid系统对三维离散点匹配生成的DSM，再自动滤波生成DEM。在实际的地形中具有很多像阴影、流水等影像因素，因此DEM技术还需要进一步提高。DOM是在DP Grid系统中自动生成的，通过对图像的光色处理和人工编辑来得到DOM，，用DEM来纠正DOM，从而完成整个地形图的绘制[4]。

3 以无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图为例分析

固定翼无人机的作业效率高，续航时间长，但是它的飞行安全度很差，也无法获得更多角度的拍摄工作。但是多旋翼无人机可以进行倾斜摄影，可以拍摄到多角度的图像数据，分辨率高.。通过软件可以自动生产三维数字模型，而且时间效率高，成本低。下面对无人机倾斜摄影测绘大比例尺地形图的精度进行分析。

3.1无人机倾斜摄影测量原理

无人机倾斜摄影技术是在无人机飞行平台上搭载多台数码相机，，进而能够多角度获取高分辨率的拍摄影像。倾斜摄影测量技术有以下几个特点：（1）可以获得多角度拍摄影像。（2）可以获得高分辨率影像。（3）自动生产三维数字模型[5]。

3.2 无人机倾斜摄影测量技术

3.2.1 多视影像联合平差

倾斜影像区域网平差分为：无约束区域网平差、倾斜影像的直接定向和附加约束区域网平差。

3.2.2 多视影像匹配

影像匹配是无人机航摄测绘中非常重要的技术之一，通过影像匹配可以算出影像之间的同名点，倾斜影像具有分辨率高、拍摄物体变形大、储存空间大等特点。通过多影像的密集匹配可以得到高密度和高精度的点云数据。

3.3.3 数字表面模型产生

數字表面模型是地理空间数据设施的重要组成部分之一，它可以展现出最真实的地面情况。但是倾斜摄影拍摄影像之间的尺度有较大的差异，还存在有一些遮挡物的问题，这是倾斜摄影不足的地方。当前通过空三计算可以进行图像匹配，然后经过噪声过滤法和图像畸变校正法可以进行处理，然后通过软件处理后生成DSM。

3.3.4 三维模型的生成

将拍摄的影像进行预处理，通过专业软件来获得三维模型。获得三维模型有两种方式，第一种是利用拍摄的图像纹理来形成三维模型，另一种是利用航拍获取的数据信息来形成三维模型。绘制三维模型首先应该通过无人机航摄系统进行图像的拍摄，然后获取图像数据，通过图像畸变校正和噪声处理过后进行空中三角测量以及像控点布设，然后进行精度的检查，最终形成三维模型。

3.3.5 绘制地形图

地形图的测绘是通过DP-Modeler软件来进行工作的，通过软件首先对三维模型进行数据预处理，在软件中新建空白项目，导入空三计算结果，然后进行矢量的采集，经过软件上一系列的操作，最后绘制成大比例尺地形图。

3.4 倾斜摄影的数据处理软件

一般倾斜摄影的处理软件为Smart3DCapture软件，它可以生成三维模型，具有稳定性和操作便利性等优点。而Smart3DCapture软件又可以分为三个部分：Smart3DCapture Master、Smart3DCapture Engine 和3D Viewer。Smart3DCapture Master可以导入影像数据，处理各个过程。Smart3DCapture Engine不需要人工操作，打开模块自行运算。3D Viewer是一种可视化模块，可以查看三维模型建立过程中的质量，然后将数据进行预处理，最后生成一个高精度的三维模型。[6]

4 结语

随着我国科学技术的不断发展，测绘领域可以运用到越来越先进的技术。无人机技术以其灵巧、简单、易操作、精度高等特点，成为航摄地形图的不二选择。但无人机航摄也有一定的缺陷，比如很多隐秘的设施无法航摄到，这需要相关人员提高无人机航摄技术，进而能够测绘出最真实的地形图。

（责任编辑：侯辛锋）

参考文献：

[1]史申超.无人机航测系统在地籍测绘方面的应用研究[D].青岛：山东科技大学，2014.

[2]王柯，彭向阳，陈锐民，陈海涵，郭小龙等.无人机电力线路巡视平台选型[J].电力科学与工程，2014（6）：46-53.

[3]叶子伟.基于无人航摄制作小城镇大比例尺DOM[J].地理空间信息，2015（5）：32-34.

[4]赖国琛.低空无人机数字航空摄影在大比例尺数字化地形图中的应用[J].科技风，2015（12）：71-72.

[5]焦旭.航空摄影测量在矿区1：2000地形图测绘中的应用研究[J].河北工程大学学报：自然科学版，2015（3）：105-109.

[6]陈俊勇.测绘学概论[M].武汉：武汉大学出版社，2004.