无人机摄影测量技术在大比例地形图中的应用

贾先通

（山东省国土测绘院，山东济南 250000）

近几年开展的大比例地形图项目中，无人机摄影测量技术的应用越来越广泛，具有作业效率高、运行成本低、产品丰富等特点。无人机搭载新型摄影测量系统，能够提高影像地面分辨率和影像成图效果，很好地满足大比例地图生产精度要求。本文结合实例阐述无人机在大比例地图生产的技术流程，为无人机在大比例地图生产中的应用提供参考。

1 无人机摄影测量技术的优势

（1）成本低、易维护。

无人机价格低廉，从几万到数十万不等。无人机具有售后服务全天候、易于维护和运输、能够快速投入生产任务等优点。

（2）测绘工作受限条件少。

无人机航摄不受地形阻碍，能够在空中全天候作业，且视角多变、作业范围大、作业效率高、数据更准确，能够有效保证影像质量。

（3）测绘立体感直观。

应用无人机摄影测量技术，经过外业测量和内业软件处理可以得到目标的立体数据，形成数字三维模型，满足测绘实际需要。

（4）测绘数据多样性。

利用无人机摄影测量技术获得外业测绘数据，数据真实可靠。通过多定量分析，可以大范畴监测地区的各类数据信息，结合传统试点信息和获得的信息，进而获得全部监测地区的信息[1]。

2 无人机摄影测量技术在大比例地形图中的应用

2.1 项目技术路线

无人机设备体积小、工作效率高，能够快速获得高清、准确的影像，后期通过专业的空三处理软件进行影像匹配、拼接等工作，能够快速生产数字正射影像图、数字高程模型及数字线化图等4D产品，较好地满足业主需求。结合山东某县城城区1∶1 000大比例地形图项目，分析生产流程。

某县城区1∶1 000地形图生产流程如图1所示。

图1 某县城区1∶1 000地形图生产流程

2.2 测区概况

2021年，山东省国土测绘院承担山东某县城城区大比例地形图测绘项目。为保障地形图数据的现实性，结合省市县更新机制，开展县城区1∶1 000地形图更新；县城处于平原地带，平均海拔高度约50 m，适合无人机摄影测量作业。本次测区航摄面积约22.7 km2，需要完成航空摄影、空三加密和DEM、DOM、DLG制作等任务。

2.3 航摄准备工作

（1）飞行规划和设备调试。

无人机摄影测量技术项目中，与业主充分沟通项目需求，确定项目使用的坐标系、影像分辨率、成果格式等；技术人员需要对测区周围进行影像判别和实地勘测，掌握测区信息，如当地天气气候、高层建筑物、高压线、河流等信息，针对外业获得的信息，制定无人机飞行的详细规划及应急事件处理方案。

使用无人机设备和GPS设备前，需要对仪器设备进行校验。飞行前一天，准备无人机设备校验工具，如钢尺、螺丝刀、钳子、备用电池等。

（2）像控点选取方式。

①需要确保像控点的目标影像清晰可见，有利于影像的判别和立体采集。

②像控点可覆盖的面积广，一般布设在航向和旁向的6片或5片重叠范围内，位于自由图边、待成边和其他方法成图的图边控制点，布设在图廓线外。

③测量像控点时，需要拍摄2～3张像控点的实时照片，包含1张像控点近景照片和1张像控点远景照片。

（3）像控点测量方法。

本测区共布设54个像控点。进行两次测量，保证数据真实性，测量1次需要20 s，且两次测量间隔10 s；现场比较两次测量结果，平面精度和高程精度均不超过5 cm；精度超限时，立即重新测量1次。

测量结束的第一时间将像控点数据从电子手簿传输至电脑，确保数据不丢失，同时将数据备份至专用U盘。

（4）飞行航线设计。

①无人机影像重叠度。

依据国家航摄规范，像片航向重叠度为56%～65%，不低于53%；像片旁向重叠度为35%～50%，不低于15%。本项目测区位于县城城区，地形整体较平坦，建筑物较密集，结合本测区业主的实际需求，重叠度标准为航向重叠度65%、旁向重叠度35%。

②无人机飞行高度计算。无人机飞行高度指无人机与测区地面的相对高度。

式中：H——无人机与地面的相对高度（m）；f——无人机镜头主距（mm）；GSD——地面分辨率（cm）；a——无人机像元尺寸（μm）。

本次航拍采用的无人机镜头主距为35 mm，地面分辨率为5 cm，通过计算得知本测区无人机飞行高度为238 m。

③飞行航线设计。常用的无人机航线设计方案有两种，分别为“S”形航线和构架线。本测区航线根据实际生产要求，按照东西方向设计，采用“S”形航线。本次任务共18条航线，拍摄航片828张。

2.4 航摄计划执行

根据制定的测区航摄计划，选择适宜的天气和合适的起飞地点，检查无人机设备并控制起飞，操作员实时控制无人机，观测无人机的电池状况是否健康、飞行速度是否在计划内、飞行高度差是否超限、飞行姿态是否合理等，确保每次飞行任务安全完成。

每次航摄任务结束，必须填写航摄飞行记录表；核查像片弯曲度、测区范围等要求，进行详细的像片质检，不符合规范的像片立即补充拍摄或重新航拍。

2.5 数字正射影像图制作

（1）空三加密。

采用无人机配套的实景三维建模软件处理数据，根据POS文件建立的航带，设定像点残差的限值以及控制点的权值，通过光束法进行空中三角测量，完成区域网平差，由软件生成空三报告。

（2）制作数字正射影像图。

利用满足精度要求的空三成果，设置提取格网间距，密集匹配点云，生成三维点云文件，依据匹配的点云生产1∶1 000数字高程模型（DEM）；结合空三成果，采取自动和人工结合的方法，通过数字微分纠正方式得到单片正射纠正影像，编辑单片正射纠正影像的镶嵌线，生产1∶1 000数字正射影像图（DOM）[2]。

2.6 数字线划地图（DLG）数据采集和处理

（1）定向建模和立体测图。

经过影像数据内定向、相对定向、绝对定向步骤，确保精度符合国家规范，利用Virtuo ZoNT全数字摄影测量系统进行测区数据采集。作业员对容易判读的地物、地貌要素，如道路、河流、居民地等数据，进行全部采集；对难于判读的地物，如阴影部分等，进行内业标记，交由外业进行实地核查。对立体模型测图采集的数据进行拼接，实现上图接下图、右图接左图，确保范围内无空白情况，按照标准条幅进行裁切，本测区最终获得95幅1∶1 000大比例尺地形图。

（2）外业调绘及补测。

外业调绘确保地形要素的完整性和准确性，调绘图纸干净整洁，笔迹清晰可见。合理取舍地物，针对无法判读以及新增的地物，如水坝、新建的房屋等，利用GPS和全站仪等仪器补测。

（3）数据编辑及外业质检。

数据编辑将立体测图成果和调绘成果进行要素数据的图形编辑和属性输入，输出国家标准的DWG文件、地理信息文件和制图文件，随机抽取20张地形图，占所有图幅的21%，安排质检员对地形图进行外业核查，重点检查居民地要素注记、高程点注记等，确保地图三要素不丢不漏；随机检查每幅图的地物点坐标和高程数据。被抽查的地形图中，平面误差为3.5～23.6 cm，高程误差为2.5～17.5 cm，在规范规定的限差要求内。

1∶1 000地形图局部如图2所示。

图2 1∶1 000地形图局部

（4）成果整理、验收及归档。

整理空间坐标系、位置精度、属性精度、完整性、技术设计书等电子或纸质资料，按照目录汇总，提交业主检查验收，验收合格后归档资料。

3 无人机技术在更多领域的应用和思考

针对部分条件较差的测区，如山区、林区、稠密建筑物群等，无人机摄影测量技术能满足其生产要求。无人机具有多个镜头，能够从不同角度、不同时间、不同高度保证像片的质量，使数据更全面和精准。目前，市面上的无人机系统带有自动校验功能，能够降低测绘作业带来的各种误差，如测量粗差、精度误差等。此外，生产商提出利用边缘现场补偿相机姿态角度，能够直接替代传统的轴云台，显著减轻无人机搭载压力，使无人机续航更持久，更好地适应无人机摄影测量技术的需要[3-6]。

无人机技术能够为其他行业的生产带来便利，利用航拍的新角度、新视野给各行业更直观的实景展示，如城市交通管理、地质灾害、农业、电力等行业。发生自然灾害时，无人机技术能够及时为受灾地区提供准确的影像资料；无人机能够携带远红外夜拍镜头，对污染地区实现全天候监测；应用无人机能够提高农药喷洒效率，减少其污染范围等。无人机技术发展前景宽广，能够带来较大的社会价值和经济效益。

4 结语

无人机摄影测量技术作为测绘的新方法，与传统测绘方法相比，其效率更高、数据更多样，能够满足大比例地形图的生产要求。随着无人机的硬件和软件日益完善强大，无人机技术能够在更多的行业发挥更重大的作用。