无人机航摄在城市轨道交通规划中的应用分析

摘 要：现代测绘领域中，无人机航摄系统的运用十分广泛，具有无人操控、操作简单、轻小便捷等诸多优势。本文主要从无人机航摄在城市轨道交通规划领域中的运用为切入点展开分析，首先论述了无人机航摄技术优势，其后详细探讨了无人机航摄系统构成及其在城市轨道交通规划中的应用流程与要点，最后围绕实际项目展开论述，以期可供参考。

关键词：无人机;航摄技术;应用;城市轨道交通;规划

1 引言

无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）是一种由动力驱动，无需专业飞行员进行机上操控的可自主完成飞行获得的航天飞行器。近年来，我国城市轨道交通发展迅速，无人机航摄技术在城市轨道交通规划中得到了广泛应用，其可提供大比例尺基础地理空间数据，支持轨道交通规划工作高效、精确落实。

2 无人机航摄技术概述

21世纪以来，随着各种通信导航技术的发展，无人机在摄影测量领域的运用越加广泛，利用无人机搭载传感器设备，通过外业航飞获取成果数据，经由数据处理后获得DEM、DOM、DLG以及数字三维模型等产品。

无人机航摄系统与传统航空摄影系统相比，主要具有以下几个方面的优势：

2.1 空域的申请相对简单;

2.2 对飞行场地的限制较小，不需要机场;

2.3 对云层遮挡限制条件较小;

2.4 飞行高度相对较低，因此就能够在飞行的过程当中获取更高的分辨率影像;

2.5 操作简单，作业周期段，成本低。

结合相关实践经验分析显示，无人机航摄技术可弥补常规航测手段的不足，在市政管理、工程建设、地形图制作与修改等方面具有显著优势。

3 无人机航摄在城市轨道交通规划中的应用

下文主要就无人机航摄系统构成与应用流程、要点等进行分析，具体如下。

3.1 无人机航摄技术流程

无人机航摄在城市轨道交通规划中的应用流程如下图1所示。

3.2 无人机航测技术运用关键步骤

下文主要围绕无人机航测技术流程中的几大关键步骤展开分析。

3.2.1 场地踏勘

无人机航测前必须进行场地踏勘，主要目的是查看摄区是否满足无人机航攝条件。结合现场踏勘结果，设计飞行线路、最佳飞行时间段等。

3.2.2 气象分析

天气对航摄的影响有很多因素，主要包括飞行影响和影像质量影响两个方面。

3.2.2.1 飞行影响：主要体现在无人机飞行中容易受气流的影响，容易偏离预设的航线或航高，影响后期数据处理，甚至风力过大有可能失去对无人机的控制;

3.2.2.2 影像质量影响：主要体现在获取影像的清晰度、明暗度及色彩的丰富程度。

结合实践分析，航摄要求天气晴朗、无云、能见度高、风力≤3级，太阳高度角视地形而言，平地>20°、丘陵地>25°，城区高层、超高建筑密集区域应在中午前后1h航摄。

3.2.3 航线设计

无人机航摄成图精度的主要影响因素包括：影像质量、影像分辨率、像控点数量、刺点精度、空三加密精度等，因此，对于不规则形状摄区，无人机航摄飞行线路可根据摄区的特点进行合理布设，不必完全根据规范要求按东西向直线飞行，有利于减少飞行和后期数据处理工作量。如一摄区面积3km²，依据摄区特征布设航线如图2（a）航线16条，航片256张;采用南北方向布设航线如图2（b）航线20条，航片274张;采用东西方向布设航线如图2（c）航线22条，航片295张。比较图2中（a）、（b）、（c）航线和航片数量可看出，根据摄区特征进行航线布设为最优。

3.2.4 航摄飞行

无人机航摄飞行，必须做好摄区风速、能见度及卫星信号接收强度的检测工作，选择一天中最佳的时间段进行飞行，避开航摄范围内高压电力线、大型发射塔等特殊障碍物，确保航摄按照设计的线路、航高飞行，获取优质原始航摄影像。

3.2.5 像控点布设

目前，网络CORS应用广泛，采用基于网络CORS的RTK测量像控点的平面和高程精度达5cm，测量效率高。在实际生产中，可同时进行像控点平面和高程的坐标测量，也使航空摄影测量中像控点的布设与测量得到优化，无需完全按照规范进行平高像控点的布设。目前，航摄像控点布设主要有以下3种方式：

3.2.5.1 测区四周各布设1个像控点，测区中间布设1个像控点。

3.2.5.2 根据测区形状特点，测区周边主要拐点布设像控点，测区中间适当、均匀布设控制点。

3.2.5.3 按照航线布设像控点，每隔8～10个基线布设1个像控点，同时每隔1个航线布设像控点。

经分析测试，第一种像控布设方案仅适合于无人机航摄中配备的高精度POS系统，满足1∶2000、1∶5000正射影像图制作精度要求;第二种像控布设方案适合于无人机航摄中配备的低精度POS系统，达到1∶1000、1∶2000生产正射影像图制作精度要求;第三种像控布设方案满足无人机航摄中有无POS系统，均能满足1∶500、1∶1000、1∶2000生产4D产品精度要求。

3.2.6 像控点量测

像控点量测的关键是像控点点位选取与测量精度，目前基于空间导航定位精度的提高，基于CORS的RTK测量像控点精度可充分满足无人机航摄空三加密精度要求吗，由此在航测项目实施中像控点点位的选取十分关键。

居民区可选择在无遮挡的水泥建筑角、平顶房角、斑马线等明显地物角点;农田可选择田地中的人工水库、水池的内外角及道桥墩等明显目标处。

3.2.7 空三加密解算

无人机航摄空三加密过程和原理与传统航摄空三加密基本相同，但因其采用非量测相机、易受气流影响、POS精度较低等特点，空三加密解算要点如下：

3.2.7.1 合理划分加密区

无人机航摄一般航高低、相幅小、像片的姿态参数（如倾斜角、旋偏角、航线弯曲度等）起伏较大，为提高加密效率和加密精度，无人机航摄空三加密不建议进行加密区划分，将测区作为一个整体进行空三加密，避免因加密分区接边引起的误差。对于因摄区范围较大或影像数据量较大，作为一个整体进行空三加密，数据处理性能很低、平差解算太慢时，再考虑分区加密。

加密分区时，为减少后续加密分区接边误差，应沿着航线方向进行分区，重叠一条航线，同一航线的影像匹配、像点关联性高，能够减少接边误差。若沿着其他方式进行加密区划分，加密分区接边的像点关联性较差，多条航线间的影像配准较困难，影响加密分区的接边精度。

3.2.7.2 像片标准点位连接点

无人机航摄空三加密，主要利用加密软件自动生成像点的连接点，正常情况下连接点分布均匀、数量足够多，完全满足平差的需要。但是，实际测绘作业中，无人机航摄一般采用非量测相机、易受气流影响，影像匹配性较差，在计算机自动匹配困难时，个别像片会缺少必要的连接点，就需要人工添加连接点，保证标准点位必须有一定量的连接点，才能使连接点在平差中起到传递空间位置关系作用，使平差后影像具有满足精度要求的空间位置，不至于平差后该区域失控，无法满足后续生产需要。

3.2.7.3 空三加密质量检查

无人机航摄空三加密的质量检查，包括事前检查、过程检查及结果检查，具体如下：

3.2.7.3.1 事前检查：检查影像质量是否满足空三加密要求，如影像的清晰度、重叠度及是否存在扭曲、变形，影像的旋偏角、倾斜角是否超限等。

3.2.7.3.2 过程检查：检查涉及检查整个区域连接点是否在每张影像上均匀分布、标准点位是否有连接点;检查连接点在每张像片是否准确刺点，是否存在上浮或下沉情况;检查控制点是否按照外业测量准确刺在影像上等。

3.2.7.3.3 结果检查：检查平差结果是否超限，并将空三加密平差后像控点坐标值与原始外业测量值进行比较，以及平差的检查点与外业测量的检查点比较，查看误差大小。此外，还需将平差结果导入立体环境进行立体量测，与现有高精度成果或外业实际量测比较，检查加密成果质量。

4 实例探析

4.1 项目概况

本文主要以某城际轨道交通项目为例展开分析，项目前期对机场至学校段支线进行测绘，满足线路选线、定线的工作需求。本次测绘采用无人机低空航摄技术，完采集路线长、宽分别为15km、300m，主要是城镇、道路以及农田，地势相对平坦。

4.2 微型无人机选择

本次测绘采用eBee微型无人机，具体参数如下表1所示。

4.3 无人机航摄流程

本项目无人机航摄流程如下图3所示。

4.3.1 作业准备

本项目无人机航测前，准备待测区卫星影像資料、检查飞行平台、检查地面控制系统、试飞，现场踏勘确认现场无过高建筑物，并寻找合适的起飞、降落点。

4.3.1.1 控制点布测：本项目无人机质量较小，在飞行过程中受大风影响严重，为保证测区成图精度，必须均匀布设地面控制点，本次沿带状区域按分段航带均匀布设少量的控制 点，采用GZCORS获取城市坐标系坐标，平面、高程精度±2cm。

4.3.1.2 航线设计：本项目采用地面控制软件eMotion2进行航线设计，由于无人机锂电池续航时间短，决定采用分段设计、分段航摄方法。

4.3.2 航摄作业

在完成航线规划后，通过电台将飞行计划传输至无人机系统，放飞无人机，飞行过程如下：

4.3.2.1 起飞：由作业人员握住左右两边的机翼，机头朝上倾斜10°，迅速大力向前甩动3次，机身尾部螺旋桨自动启动，3s后向上推出无人机;

4.3.2.2 爬升：无人机飞出后，在起飞点上方盘旋，一直爬升至指定航高后飞向航线;

4.3.2.3 航线飞行：无人机沿既定航线飞翔，并自动定点拍摄照片;

4.3.2.4 降落：无人机完成飞行后，自动飞至降落点上空盘旋下降，降至75m后按计划降落;

4.3.2.5 数据检查：完成航摄后，现场检查数据，核查拍摄照片数量和飞行轨迹参数是否一致，一旦发现漏拍、照片质量模糊，及时补飞。

4.3.3 数据处理

本项目无人机航测数据处理过程如下：

4.3.3.1 数据预处理：采用eMotion2导入飞行记录文件、POS 数据，从无人机相机SD卡内导出航摄像片数据，利用e Motion2软件将POS数据、像片数据融合，生成带位置、姿态信息的影像与后续处理工程文件。

4.3.3.2 自动空三加密：采用Post flight_ Terra_ 3D数据处理软件辅助空中三角测量，利用POS系统获得无人机移动空间位置、三轴姿态信息，解算航摄影像每张像片 6 个外方位元素，完成自动空三加密。

4.3.3.3 自动生成DEM、DOM：基于DEM数据对影像进行数字微分纠正、影像重采样，生成单片数字正射影像 DOM，经色彩调整、影像镶嵌获得DOM 成果。

4.3.3.4 制作大比例尺地形图：采用EPS测图平台进行坐标转换、矢量校正、屏幕测图，做到先整体、后局部，保证测图精度。

4.4 项目成果精度分析

为保证精度，采用GZCORS_RTK 快速获取外业检查点三维坐标数据，测区施测平面坐标/高程检测点共计32 个，经对比计算分析显示本次航摄1∶2000 地形图精度满足规精度要求。

5 结语

综上所述，基于无人导航定位、无人操控、数据传输等先进技术的发展，无人机生产门槛逐渐降低，无人机航测技术逐渐推广开来。在城市轨道交通规划中，必须针对无人机航测特点，科学落实测前准备、外业飞行与内业数据处理工作，保证测绘产品的成果质量，为后续项目实施提供可靠支撑。

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作者简介：刘红沪（1968-），男，湖南邵阳人，高级工程师，本科，研究方向：工程测绘-无人机在测绘工程中的应用。