消费级无人机与GNSS接收机在地形图测绘中的应用及精度分析

丁莹莹，赵云昌，袁国霞

(1.山东省国土测绘院，山东 济南 250102；2.山东省地质测绘院，山东 济南 250013)

0 引言

随着我国人工智能的发展以及无人机技术平台的建设，无人机获取地理信息特征技术已经非常成熟，倾斜摄影测量的发展为无人机大比例尺地形图测绘提供了技术支持[1-4]。测绘类无人机平台费用较高、环境因素和技术人员素质要求较高，对很多测绘单位来说都是一个很难解决的问题，消费级无人机的出现解决了此类问题，对大比例尺地形图的测绘提供了快捷的方案[5-10]。

固定翼无人机在飞行应用方面，由于自身的设计和造型原因，受工作场地、测区范围、成本控制、机动方面、灵活设置航线等方面影响。消费级多旋翼无人机随着我国技术的发展，在大比例尺地形图测绘中应用越来越广。传统的测图技术主要是利用仪器获取地理位置，再导入绘图软件按照一定的要求绘制出地形图，人力物力成本较高[4-6,11-12]。

本文地形测绘主要采用低空航空摄影测量和GNSS接收机测量相结合的方法施测。山区植被茂密，对低空航空摄影测量无法满足成果精度区域，沟渠、河流、水塘等需要采集水底高程的部位，采用GNSS接收机进行施测。数据采集前、后均进行了测站检查，并记录检查结果。利用EPS三维测图系统与南方CASS9.1绘制1∶500地形图，选取多个房屋的特征点利用全站仪观测后确定的坐标进行对比分析，误差符合测图标准。

1 项目概况及实施

该项目位于某跨海大桥项目拓展区，连接边缘城市和大型城市之间沟通。测区范围内有丘陵、山地、平原、高速公路等地物地貌。为了满足论文研究需求，对陆域地形图进行修补测量，需要观测的丘陵区、隧道区、植被区，采用消费级无人机与GNSS接收机联合使用，大部分地区利用无人机航飞技术获取成果，对于地形起伏大、山高林密区域以及河流、沟渠、水塘、房屋等需采用GNSS接收机观测。

2 无人机摄影测量

(1)航高计算与航摄时间。航空摄影的地面分辨率(GSD)取决于飞行高度，如图1所示[7-10]。充分采用无人机所搭接的相机参数、航高的计算公式，利用原有地形图计算出该测区的地面分辨率，采用航摄地面分辨率为0.05m，设计相对飞行高度为125m。通过公式计算出合适飞行高度，不仅能够降低内业成图时的定位精度误差，而且能够满足外业测区飞行高度的安全限差要求。

图1 航高与地面分辨率关系图

项目在开展过程中，由于受当地大气透明度、光照照射、地表植被及其覆盖物、太阳高度角、阴影倍数关系等多种因素影响，所以本次航摄时间采用正午前后2h作业，以此来提高航摄产品的质量[7-8，13-16]。

(2)像控测量。本次测区像控点间距最大为500m，像控点覆盖了整个测区并且满足航片标注要求，旁向航片上的标注数量多于3张，航向航片标注多于2张，像控点的标注位置未出现在照片边缘位置[7-8]，像控点具体布设位置如图2所示。

图2 像控点布设示意图

像控点测量采用GNSS-RTK方式施测，测量像控点标记转角位置三维坐标。像控点精度按像片控制点相对邻近基础控制点的平面位置中误差不超过地物点平面位置中误差的1/5、相对邻近基础控制点的高程中误差不超过基本等高距的1/10执行。外业像片获取后，为了后续的平差处理采用统一的格式编号，包含了编号、原始编号、工作人员、日期等方面要素[17-18]。

(3)实施过程。进入施工测区，搜集原来的高等级控制点和已有的地形图资料，完成当地的空域申请，确定合适的空域和时间，制定详细的施测技术方案。具体步骤，首先内业根据原有的地形图和控制的测量成果进行航线设计，外业操作人员进行飞机性能检测，根据技术方案布设一定密度的像控点。其次利用GNSS接收机进行像控点三维坐标的获取，并且进行平差解算。最后飞控人员进行外业像片的采集和空三结算；内业人员进行地形图绘制与外业调绘检查精度；质量检测部门进行成果质量检查验收，确保成果无误，提交使用。具体流程如图3。

图3 实施流程图

3 研究成果

首先根据外业像控点，采用SMART 3D空中三角测量加密软件进行加密；利用像控点成果、调绘资料采用全数字摄影测量工作站对地物判调[7-10,19-20]；最后采用CASS 9.1软件进行数据编辑。

(1)成果分析。空三测量及精度分析，采用合格的像片数据、野外控制像片及像控点成果、外业控制网布点略图，每个架次作为1个区进行加密，采用SMART 3D完成测量，并进行平差计算，获得影像外方位元素，部分精度分析如表1。

表1 部分空三精度统计表

实验数据选择测区周边的4个像控制点作为分析对象，通过分析表1和图4可以得出，x方向差值最大为3.2cm，最小差值为1.7cm；y方向最大差值3.7cm，最小差值为1.1cm；点位限差最大4.8cm，最小为1.8cm，限差都控制在5cm范围内。

图4 差值分析图

(2)精度分析。利用0.5s全站仪对测区明显的特征点进行测量，采用像控点为设站点和定向点，获取特征点房角点的三维坐标，提取图上对应的特征点坐标，重点分析x、y方向和点位的误差，具体的分析结果如表2和图5。

表2 检测点成果表

图5 检测点误差分析图

实验数据选择测区周边的5个房屋的特征点进行分析，通过分析表2和图5可以得出，x方向差值最大为3.1cm，最小差值为1.1cm；y方向最大差值4.8cm，最小差值为2.1cm；点位限差最大4.9cm，最小为3.0cm，限差都控制在5cm范围内。

(3)成本分析。通过分析表3 可以得出，倾斜摄影测量平台，采用新设备新方法，虽然观测效率较高，但是成本较高；GNSS接收机仪器费用较低，但是效率较低，适应常规的测量单位，工期时间较长；无人机与GNSS接收机观测的时间、成本都居中，相对来说应用的比较多，适合无人机测绘难以全部实现的山区及赶工期的项目。

表3 三种方法观测情况

4 结论

(1)消费级无人机在测绘行业尤其是大比例尺地形图测绘方面应用，弥补了倾斜摄影测量平台价格昂贵、操作困难、技术人员素质较高的缺陷。

(2)无人机与GNSS接收机联合使用在复杂的测区环境内相互补充，能够提供地面信息比较全的地形图，通过与高精度全站仪测量的特征点坐标相比对，精度较高能够满足大比例尺地形图测图的精度要求。

(3)本文提供的技术方案和施测方法能够为同等项目提供一定的技术支持，可以推广到小区域的大比例尺地形图测绘。