无人机航测技术在大比例尺地形图测绘中的应用

2021-12-13张本平

工程技术研究 2021年18期

张本平

陕西交通职业技术学院建筑与测绘工程学院，陕西西安 710018

1 无人机航测技术的应用优势

1.1 反应快速

部分测区现场环境较为复杂，地形起伏不定，在传统航空摄影测量技术体系中，为保证测绘作业安全，需要将飞机保持高空飞行状态，飞机起降条件要求严格，且测量精度易受到气候条件影响，致使测绘结果无法真实、全面地反映测区情况。在应用无人机航测技术时，以无人机作为飞行器，具有机动灵活的特征，其可以保持低空飞行状态开展作业，在前方出现障碍物时可以快速调整无人机飞行姿态进行躲避，获取准确的观测数据。同时，无人机起降条件要求宽泛，仅需在测区开辟一小段相对较为平整的路面，或是采取弹射起飞方式，在现场准备滑行轨道、牵引钢丝、开锁装置等，施加橡胶拉力牵动小车在轨道上加速滑行，即可赋予无人机平飞速度，快速操控无人机前往测区拍摄影像资料。

1.2 时效性强

在早期的大比例尺地形图测绘项目中，普遍选择能获取高分辨率卫星遥感数据的方式进行测绘，但在实际工作期间面临着影像资料获取时间较长、存档数据时效性差的问题。在此背景下，应用无人机航测技术，无人机可以在短时间内前往测区航拍影像资料，实时将所拍摄资料通过数传电台传输至地面站，接收地面站下达的测绘任务与控制指令。同时，相关调查结果显示，在一般条件下，无人机航测技术每日可完成数十平方公里的测绘任务，其时效性强的优势在小范围测绘项目中得到了最大程度上的发挥。

1.3 综合测绘成本低

从实际应用情况来看，与传统测绘技术相比，无人机航测技术在应用前期虽然需要投入一定成本用于采购飞行器、数传电台、五镜头倾斜相机、数字彩色航摄相机等设备，但凭借技术地表数据获取快速、适用范围广、反应快速、作业效率高等优势，可以将综合测绘成本控制在合理范围内，在同规模、类别的测绘项目中，无人机航测技术的综合成本远低于人工测绘、航空摄影测量等测绘技术。因此，对于无人机航测技术的应用，也是控制大比例尺地形图测绘成本的一项重要举措。

1.4 适用范围广

传统地形图测绘技术均存在一定的应用局限性，如人工测绘效率低下、航空摄影测量技术的飞机飞行高度需要保持在5000m及以上，测量精度受云层等气候条件干扰，难以高效完成特殊地形的测绘任务。与之相比，无人机航测技术的监控区域受限制条件较少，消除了复杂地形、气候条件等外部因素对测量精度和成图质量造成的影响，且测量精度与成像质量均可以得到保障。

2 无人机航测技术在大比例尺地形图测绘中的应用

2.1 地面控制系统搭设、航线规划与航测控制点布设

首先，在现场设置地面基站，在基站内安装遥控器、视频显示器、数传电台和电源子系统，在后续无人机航测过程中，由地面基站通过数传电台持续获取实时拍摄的影像资料与观测数据，对无人机远程下达控制指令，如调整无人机的飞行高度、速度与姿态，根据外业作业情况调整无人机航向。

其次，规划无人机航线，遵循《低空数字航空摄影测量外业规范》（CH/Z 3004—2010）等规范文件，结合测区地形地貌起伏情况设定无人机航线与飞行高度，以此控制像片重叠率、像片旋角，将无人机飞行期间与摄影基准面的相对高度保持基本一致，避免因相对高度波动变化而影响到测绘成果分辨率。

最后，综合分析现场地形条件、测绘任务要求、控制网形状等因素，在测区现场内设置一定数量的航测控制点，如在首条和最后一条无人机航线内设置不超过8个平面像控点，在重丘陵和微丘陵测区内分别将基线数量控制在16个左右和12个以内。同时，部分大比例尺地形图测绘项目的现场地形条件过于复杂，不具备设置明确像控点目标的条件，因此需要以小型目标为依据来布设高程点，同步采取分段拟合方法，以控制所采集影像资料的质量，掌握物体交点和顶点部位的位置信息。

2.2 测区影像数据的全面采集

在测区影像数据采集环节，测绘人员需提前做好准备工作，检查无人机航测系统中的各项功能使用情况，如航向定位功能、信号收发功能。待准备工作完成后，在ALtizuree等软件中导入无人机航线与划分测区长度方向，分别设定各测区航向、飞行高度、飞行速度等参数，根据测绘任务要求开展空中三角测量与照片控制测量作业，要求影像重叠度不得小于85%。同时，组合应用POS技术，在无人机飞行期间持续感知无人机飞行姿态，以此解决无人机航测技术姿态稳定性差和影像旋偏角过大的技术问题，依托这项技术开展测绘点三维坐标测算作业。

在空中三角测量步骤中，测绘人员在已掌握野外控制点信息的基础上，对各处控制点进行加密处理，由无人机航测系统在运行期间替代人工自动拍摄影像资料与完成计算操作，工作人员提前在系统中输入连接点位，将其和测量模型进行连接，即可在测量过程中获取各处加密点平面位置以及高程等数据，切实满足大比例尺地形图测绘需要。同时，在空中三角测量期间，重点控制绝对定位精度与相对定位精度，例如，在1∶1000的大比例尺地形图中，将丘陵地形中的定向点残差的平面误差控制在0.25mm以下，将高程误差控制在0.25m以下。在照片控制测量步骤中，组合应用无人机航测与GPS系统，对外业作业期间获取的三维观测数据及航测影像信息进行结合处理，从而既可以获取测区内各处控制点的三维空间坐标值，又可以准确描述各项控制点间的位置关系。

2.3 航测数据处理

在航测数据处理环节，工作人员提前将所收集航测影像资料进行分组处理，要求各组次内的照片数量不得少于6张，并将航测影像资料及外业控制成果输入模型，从中筛选高精度图像与处理刺点数据。随后，使用航测软件依次对所导入航测数据进行空三加密、点云数据生成、DEM生成、DOM生成处理。空三加密是基于几何特征与控制点三维空间坐标值对所采集的具备航向重叠度和旁向重叠度的像片进行平差处理来获取加密点信息。点云数据生成是使用密集匹配算法对影响数据加以密集匹配、镶嵌、匀光处理来获取密集点云数据。DEM生成是在空三计算成果的基础上获取核线影响并引入特征点等信息来构建三角网，在三角网内插高程来生成DEM数据。DOM生成是使用反解算法与双线性内插法对数据分别进行微分纠正与重采样处理，以此获取镶嵌线来拼接测区模型正摄影像以生成标准样图。

2.4 大比例尺地形图绘制

在大比例尺地形图绘制环节，工作人员使用AreGIS等软件，在软件中导入内业数据处理环节中获取的DOM等数据，在此基础上构建三维模型，在模型汇总中分析对比矢量化数据特征和地貌信息，选择性地对三维模型进行修饰处理，待处理完毕后将模型输出，获取真正射影像图数据和实景三维模型数据，使用软件自带工具生成CAD图纸，完成地形图绘制任务。

2.5 地形图更新

为了保证所绘制地形图清晰明确，预防出现图面失真的问题，在大比例尺地形图绘制完毕后，需要开展地形图更新作业，对已掌握的航测数据及所绘制的地形图开展坐标转换与图幅纠正操作，将地形图、航测影像、地形图更新区域和转换后的坐标进行室内判断与线划数据更新处理，再将更新数据进行编辑整理和检查验收，退回不合格数据及地形图，在检查验收通过后进入成果输出步骤。

3 实际应用案例

在某大比例尺地形图测绘项目中，考虑到项目时间要求较为严格，需要在30d内完成25km2的测绘任务，并绘制比例尺为1∶1000的地形图，传统航测技术的航飞审批流程较为烦琐，最终选择采用无人机航测技术。配置华测P700E航测无人机等设备，在测区内以2～10个点位/km2的密度布设像控点，设定1000比例尺9cm地面分辨率和2000比例尺15cm地面分辨率，在现场安装弹射架，采取弹射起飞的方式控制航测无人机起飞，在2h内完成航测作业，持续监测航高、飞行轨迹等参数。待航测完毕后，从无人机航测系统导出拍摄图片，经过数据质量评估后确定无须开展补测作业，使用空三软件对数据进行加密处理，在立测软件中测制地形图，如图1所示。