论地形测绘中无人机航测技术的应用

黄礼强

绵阳东展空间信息科技有限公司 四川 绵阳 621000

鉴于我国经济的快速发展，各行各业对地形图的需求也逐渐增加。现有的地形测绘大多采用GPS、全站仪等常规设备，先进行控制测量，然后再进行碎部测量，完成外业实地数据采集后，还需要进行内业绘图，最后还要编辑图形及输出图形。这些传统的地形测绘作业模式的共同点就是，外业实地采集数据需要大量人力和物力，对于作业人员不能到达的区域，就会出现较大的问题，而且工作相率较低，成本较高。随着科学技术的不断发展，在测绘地理信息行业中运用了比较先进的数字航空摄影测量技术，尤其是无人机航测技术可以充分发挥高速、低成本、高效率、高精度的优势，为测绘行业发展增添动力。

1 无人机航测技术的介绍

无人机航测技术就是无人机平台与数码相机信息采集技术的有机结合，主要由硬件和软件系统部分组成。硬件系统包括无人机操作系统和地面监控系统。软件系统包括数控拍摄、远程飞行操控、通信数据预处理等。无人机航测具有机动灵活、高效准确、消耗成本低、操作简单、适用范围较广等特点，尤其适用在小范围、飞行困难地区的地理信息采集工作。随着无人机航测技术的推广，在重大工程建设领域、国土资源调查与监测、自然灾害应急与处理等方面广泛应用。

2 无人机航测技术的优势分析

(1)成本相对较低且操作简单。无人机航测平台构建、维护以及作业成本相对较低，对操作员的培养周期相对较短，设备系统的保养和维修简便等。

(2)机动灵活且安全性高。无人机低空飞行，受天气因素的影响较小，无需机场起降，对起降场地要求较低，同时飞行审批手续、流程也简单易办。将无人机航测技术应用于城镇、村庄等测绘项目中，由于其具有机动灵活、操作方便等优点，能够快速到达测区。无人机航测活动是非载人飞行，在高危地域获取测绘数据时可更大程度上降低危险性。

(3)作业周期短及效率高。在面积范围较小的大比例尺地形测量任务中，使用无人机航测受地形因素影响较小，能够进入各种复杂地域（高原、盆地、林地等）进行摄影，获取准确、完整的数据信息，有效拍摄时间长，作业效率得到了极大提高。

(4)测图的精度较高。无人机正常作业的飞行高度一般在100-800m之间，可以满足1：500、1:1000、1:2000的分辨率的DOM、DLG的航拍要求，摄影测量精度达到了亚米级，精度范围通常在0.1-0.5m。由于各种设备技术的发展和系统整体集成技术相对成熟，能够获取高分辨率的数字影像和准确的数据信息，能够满足测绘行业的需要。

(5)社会经济效益较高。这主要是因为无人机航测技术的成本投入相对较低，而且通过无人机平台搭载数字摄影技术与通信网络技术、数据接收预处理等技术，不仅能有效地收集各种地理数据，而且能创造具有巨大社会和经济效益的航空摄影技术。通过低空飞行，不仅可以获得大范围的摄影资料，而且可以缩短距离和测绘周期，具有很大的社会效益[1]。

3 无人机航测技术应用中存在的问题

无人机航测过程中，受到外界各种复杂因素影响较多，同时存在很多不确定性。例如:

(1)全局位置和加密精度是从局部测量网络充分估计的，模型误差相对较小，但方向精度可能会超过模型限制。这些单个点的定向精度超过了一个阈值，该阈值会导致整个显示器的定向点出现较大的投影。

(2)无人机在实地使用中存在一定的局限性。这是由于城市高层建筑多，人口密度高，无人机很难找到合适的起降地点。此外，不同类型的无人机对起降、疏散条件和通信范围的要求也不同。因此，始终难以在任何时候和任何情况下获得无人机地形测量。

(3)无人机体积小、重量轻，配备常规航拍设备，无法进行航拍，而且大多是经过改造（电路处理和改装）后的普通反光镜。使用无线相机拍摄航拍照片，感光相机的偏移量往往很小，这意味着成图效果质量不符合高精度测量要求。

(4)无人机通常有两种动力来源：燃料和电池。如果无人机配备的电池为8000mAh，续航时间只能维持45～50min。消耗燃料的无人机会增加续航时间，但无人机结构相对简单，在飞行过程中需要人工进行干预对航线及拍摄影像等进行修正。在高空飞行时突然遇到强风（或强气流、强磁场等）时，可能造成无人机不受控制偏离规划航线，摄影成像获取的数据质量及测控精度将受到严重影响。

4 地形测量中无人机航测的应用分析

4.1 像片控制

(1)影像资料分析

使用无人机航测时，考虑到测量结果的准确性，可以将数字图像页面通过间隔和重叠分别微调30%和40%。同时，检查航向重叠程度并保持在65%-75%以内。通过这种检查，可以确保拍摄区域在航拍过程中没有缺陷，并检查拍摄路线的完整性；增大航向旁向重叠率，可以确保影像拼接时没有漏洞，使生成的图像质量满足的测量技术规范要求。

(2)像控点布设

像控点布设位置应在空旷，四周无遮挡，在以像控角度倾斜45°的地方（与地面夹角），尽量保持无人机能拍摄到像控点。像控点应清晰，易于识别和便于测量。共用像控点一般布设在航向及旁向6片重叠范围内，选定特别困难时也可以在5片重叠范围内，像控点距图像边缘不少于1-1.5cm。

4.2 像控点测量

像控点测量主要采用“GPS RTK”方法进行测量，基准站应架设在测区中部位置或测区最高处，以保证移动站与基准站之间数据链的无遮挡传输。通过移动站链接基准站对已知控制点转换参数的换算校核，在进行转换参数的求取时，已知控制点的个数大于3点，并且转换参数的残差值小于0.03m，然后利用专用对中杆进行像控点的测量，像控点的观测时间均大于60s，并记录该点平面坐标及其高程值，确保像控点的点位精度。

4.3 选取飞行平台及摄影相机

选用DJI四旋翼垂直起降无人机自带高精度差分GPS，采用3500mAh 12V大容量锂电池，能量最大值为42Wh，飞行时振动小，巡航速度5-20m/s，曝光时长小于1/1600s，可以保证像点位移在1/3像素以内；相机参数，选用2000 万像素具有12.6档动态范围，单像素高达2.4μm，搭配成像质量较好1英寸大底CMOS镜头。

4.4 科学规划航线

科学地规划无人机航迹线路是任务规划的核心内容，需要综合地应用GPS导航技术、远程遥控及数据传输、数字信息化处理技术，以获得全面详细的无人机飞行状态以及环境信息。首先是飞行前预规划，即根据既定测量任务，结合空域限制与飞行约束条件，从整体上制定最优参考路径；其次是飞行过程中的调整规划，即根据飞行过程中遇到的突发情况，如地形较大变化、气象变化、未知限飞禁飞等因素，动态地调整飞行路径或改变动作任务。结合无人机自身技术指标特点，按照一定的航迹规划方法，制定最优或次优路径方案。因此，飞行航线规划需要充分考虑电子地图的选取、标会、航线预定规划以及在线调整时机。

4.5 无人机航摄

根据申请飞行区域及飞行时段，按照内业规划的航迹线路进行测绘作业，找到合适的起飞和降落地点，对每块区域进行拍摄采集照片。

(1)飞行执行。在设备检查完成，并对即将飞行的空域进行安全确认，将无人机解锁起飞。无人机操作人员通过遥控器实时控制飞行，地面数据收集人员通过飞机传输回来的参数观察飞机状态。无人机到达安全飞行高度后，操作人员通过遥控器收起起落架，将飞行模式切换为自动任务飞行模式。同时，无人机操作人员需通过目视对无人机的动态实时关注，地面数据收集人员留意飞控软件中飞行姿态、电池状况、飞行速度、飞行高度、航线完成情况等，以此保证飞行安全。若飞行过程中，信号缺失，需假设网络RTK 或建立无线电台和地面站。

(2)飞行监控。飞行过程中时刻关注飞行器状态、高度速度以及实时图传，飞行器卫星数，遥控器信号，飞行器电池电量。通过遥控器显示屏的相机回传信息小窗口监测相机五个视角是否正常持续拍照。

(3)飞行结束。无人机完成设定的飞行任务后，降落时应确保降落地点安全，避免路人靠近。降落成功后及时检查摄像机中的影像数据、飞控系统中采集的数据是否完整。根据收集的完整数据进行分析，并对获取的影像进行质量检查，对不合格的影像区域进行补飞，直到获取的影像质量满足要求。

4.6 空中三角测量

空中三角测量也是无人机航测中比较常见的技术，主要是利用无人机处理软件进行空三加密解算，将地形位置信息准确的测量出来。数据处理自动化程度较高，处理过程中对控制点文件、相机参数文件、POS数据以及原始影像的准备。在数据处理系统的运行中，必须尽量减少人为干预的影响，再通过POS数据来实现自动化处理，对连接点自动匹配及提取，自动对粗点和差点进行筛选，同时检查整个测区内部连接点的分布情况，对部分不满足要求的连接点可以进行人工手动增加，从而确保航线和所建模型之间的连接强度满足要求。

4.7 数据采集

数据收集以无人机航拍数据为基础，MapMatrix软件广泛应用于4D数据生产，可以深入分析各种地形地貌特征，提高有效测量效果。此外，测绘人员采用分层存储格式，有效组合点、线、面信息，进行地形分析，检查采集有无遗漏、综合取舍情况，将采集到的图形信息认真翔实记录，方便后续操作。

4.8 内业数字化测图处理

(1)地物地貌测绘。通过航拍地形特征绘制地图。三维测图可采用全野外调绘后测图，或通过内判测图后外业对照、补测和补调的方法。首先，航拍照片的当前位置非常好，可以准确判断地物地貌特征元素，根据测绘制图要求分析直接测绘在图板上。对不能准确判准的地物地貌元素，内业作业人员提出疑问转交给外业人员处理。

(2)接边和结尾处理。若地物、地貌相关元素无法准确判断，内业工作仅需将外在轮廓绘制出来即可，其它作为疑点交给外业做相应处理；外业工作负责检查、核对内业测绘工作，并对目标明确、元素清晰的部分进行抽查，补调内业工作无法识别的地物、地貌、地形元素。地物、地貌测量时，应在对应仪器上和已完成绘图边进行接边处理，每张图像测量完毕后，应仔细调整和仔细检查。

4.9 外业调绘

外业调绘的内容在图上表示时要求必须清晰可见，同时各种标记要准确无误、位置合适、书写工整。补测时，可以采用以明显地点为起始点的交会法或截距法。成片的用全站仪或GPS RTK进行补测，外业补测地物精度也要符合设计中的规定，满足相应的精度要求[2]。

4.10 精度检查

对绘制图幅成果精度进行随机检查。

(1)检查点立体量测，将“空三”结果导入到全数字摄影测量系统，在立体上量测检查点三维坐标。

(2)检查点野外量测，使用科力达GPS RTK 测量检查点位的三维坐标。

(3)精度对比，以检查点位测量精度，其平面位置中误差、高程中误差分别按下面公式计算。

式中：

m1——检查点中误差，单位为米(m);

Δi——检查点野外实测值与立体观测值的误差，单位为米(m);

n ——参与评定精度的检查点数(每幅图20-50个)。

4.11 成果质量检查验收

测量成果检查验收，采用HBCORS RTK网络实测方法动态确定DLG图的精度。其中包括36张实地巡检图像和43张实检图像，共占21.3%。地图上总共有 53 个点有明亮的物体，例如田野和山脊的交叉点、房屋的角落。从飞机的精度和海拔高度入手，将地面实测坐标与地图上得到的坐标进行对比，进行统计分析。以下是DLG地图精度统计（部分数据）得到的结果：田野、山脊、房角的平面位置最大中误差是53.7cm（限差为60cm），最大误差是58.6cm（限差为120cm）；高程最大中误差是63.5cm(限差为70cm)，最大误差是68.7cm（限差为140cm）。符合《1:500 1:1000 1:2000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》（GB/T 15967-2008）规定精度要求最大误差不应超过两倍中误差，成果质量检查合格[3]。

4.12 注意事项

(1)在航空摄影测量过程中，测绘人员必须审查最终数据以及测量区域的实际位置。对各种航拍设备进行科学校准和全面检查。航拍设备的科学校准检查可以有效减少错误，从而避免图像失真，使最终的航测数据更加准确。

(2)根据测区的实际位置，采用自动化操作方式，利用先进的信息系统，正确分配各个方位点。在满足测量规范以及客户的精度要求，尽量减少错误测量数据的输出，为了大大提高测量质量，必须及时加密存储数据并避免数据丢失。

5 结语

结合使用无人机航空摄影进行地形测量，极大地提高了测绘效率，并缩短周期且消耗成本相应降低，同时提升了对土地信息的采集和数据处理能力，为当地城市规划和基础设施建设提供相关数据支撑。了解无人机航空摄影测量技术的优势和重要性，在测绘工作运用和创新，实现地形测量的自动化操作和智能化分析，并推动无人机航测技术在测绘行业方面的发展。