無人機(jī)大比例尺地形圖測量技術(shù)研究

曲喬新

摘 要：隨著低空無人機(jī)攝影測量技術(shù)的發(fā)展和完善，大量試驗(yàn)己經(jīng)表明無人機(jī)測繪地形圖的精度可以滿足1：2 000地形圖的要求，該文結(jié)合北京某村的測量項(xiàng)目，詳細(xì)探討了無人機(jī)大比例尺地形圖的測量流程，包括航空攝影、像片控制、影像預(yù)處理、空中三角測量、DEM/DOM制作、地形圖制作及無人機(jī)航攝影像成圖精度分析等。相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 大比例尺 地形圖 測量技術(shù) DEM

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0051-02

無人機(jī)航攝系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)，（1）受天氣條件和地面狀況影響較小，作業(yè)方式靈活快速；（2）無人機(jī)平臺(tái)自身構(gòu)建及其搭載的航攝設(shè)備維護(hù)成本低；（3）因無人機(jī)飛行高度低，所以能夠獲取高分辨率影像，在小范圍信息獲取方面有很大的優(yōu)勢；（4）可根據(jù)具體要求設(shè)置影像重疊度，大重疊度的影像能夠增強(qiáng)后續(xù)處理的可靠性；（5）不需要申請空域、攜帶方便、轉(zhuǎn)場快等優(yōu)點(diǎn)。目前，小型無人機(jī)對地觀測系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點(diǎn)課題，并在實(shí)際應(yīng)用過程中不斷提升無人機(jī)對地觀測系統(tǒng)的性能。

下面以北京某村為例，具體說明無人機(jī)航測繪制1：2 000地形圖的過程。項(xiàng)目采用“1980西安坐標(biāo)系”和“1985國家高程基準(zhǔn)”。木測區(qū)作業(yè)工序?yàn)闊o人機(jī)航攝、地形測量（包括四等控制測量、I級控制測量、像控測量、圖根測量、野外補(bǔ)測、外業(yè)調(diào)繪）、空三加密、地形圖制作（包括立體采集、數(shù)據(jù)編輯工序（1：2 000比例尺一套））、DOM制作、DEM制作、質(zhì)檢驗(yàn)收等工序。

1 航空攝影

該村采取東西向飛行，平均航攝比例尺為1：23 533，平均地面高度為1 350m，其相對航高為650m。平均地面分辨率0.13m，滿足1：2 000成圖要求。該次外業(yè)攝影時(shí)間為2012年6月5日。

2 像片控制

2.1 影像資料分析

航線間隔及旁向重疊度在30%～40%之間，航向重疊度在65%～75%之間。全攝區(qū)無航攝漏洞，航向超出攝區(qū)范圍3～6條基線。像片傾斜角<4°，旋偏角<8°，航線彎曲度<3%。無人機(jī)航攝系統(tǒng)的飛行質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同航線高差<30m，實(shí)際與設(shè)計(jì)航向<30m。實(shí)際航線偏離設(shè)計(jì)航線≤像片上10cm。像片位移誤差<30m。航攝影像清晰、無云影等遮擋，色彩均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)及刺點(diǎn)

2.2.1像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)布設(shè)：像控點(diǎn)在航線方向上按10～15條基線布設(shè)，在旁向上按2～4條基線布設(shè)。布設(shè)的像控點(diǎn)能夠有效控制住成圖范圍，保證測段銜接區(qū)域內(nèi)沒有漏洞。像控點(diǎn)應(yīng)刺在航向及旁向重疊有5～6張像片的區(qū)域內(nèi)。像控點(diǎn)編號原則：測段像控點(diǎn)編號原則“GP+航片號四位+點(diǎn)序號”。像控點(diǎn)布設(shè)完成后繪制布點(diǎn)示意圖供內(nèi)業(yè)加密和存檔。滿足空三加密及數(shù)字化采集要求。

2.2.2 像控點(diǎn)的刺點(diǎn)及整飾情況

刺點(diǎn)誤差和刺孔的直經(jīng)均小于像片上0.1mm，且刺透，無雙孔。點(diǎn)位說明確切，略圖完整明了，刺孔、略圖、說明與實(shí)地柱位一致。

在像片正面上用紅色直經(jīng)為7mm的圓形整飾像控點(diǎn)，并注記點(diǎn)號。在像片的背面用鉛筆繪制點(diǎn)位略圖和標(biāo)注文字說明等。

2.3 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)坐標(biāo)可以使用全站儀、RTK等常規(guī)儀器進(jìn)行測繪。像控點(diǎn)的精度和施測要求參照常規(guī)航測外業(yè)規(guī)范執(zhí)行。木次像控點(diǎn)測量采用雙頻GPS接收機(jī)，已知控制點(diǎn)為加密的一級GPS控制點(diǎn)。為保證像控點(diǎn)測量成果的可靠性，在全部像控點(diǎn)測量完畢后再收參考站。施測現(xiàn)場對點(diǎn)位進(jìn)行拍照并制作成點(diǎn)位信息表供內(nèi)業(yè)加密使用。將檢查合格后的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基線處理采用Compass靜態(tài)處理專業(yè)版軟件，得到該村片區(qū)像控成果。

2.4 該像控網(wǎng)精度

該村片區(qū)像控網(wǎng)①精度統(tǒng)計(jì)：

（1）線向量檢核，同步環(huán)、異步環(huán)驗(yàn)算。

共驗(yàn)算同步環(huán)15個(gè)，其中環(huán)線全長相對閉合差最大為：6.52ppm，限差為：15.0ppm。

共驗(yàn)算異步環(huán)9個(gè)，其中坐標(biāo)分量閉合差最大為：Wx=4.46cm，Wy==6.46cm，Wz=6.36cm，限差為：=±21.06cm。

（2）三維無約束平差。

三維無約束平差最弱邊相對精度為：1/15267，邊名：2174-2173（邊長267m）。

（3）二維約束平差。

約束平差最弱邊相對精度為：1/17725，邊名：2174-2173（邊長267m）。最弱點(diǎn)為2259，點(diǎn)位中誤差±2.03cm，限差為：±20.0cm。

該村片區(qū)像控網(wǎng)②精度統(tǒng)計(jì)：

（1）基線向量檢核，同步環(huán)、異步環(huán)驗(yàn)算。

共驗(yàn)算同步環(huán)14個(gè)，其中環(huán)線全長相對閉合差最大為：4.48ppm，限差為：15.0ppm。

共驗(yàn)算異步環(huán)14個(gè)，坐標(biāo)分量閉合差最大為：Wx=-2.32cm，Wy=18.16cm，Wz=-12.55cm，限差為：=±21.06cm。

（2）三維無約束平差。

三維無約束平差最弱邊相對精度為：1/14131，邊名：2127-G04（邊長545m）。

（3）二維約束平差。

約束平差最弱邊相對精度為：1/34023， 邊名：2174-G04（邊長545m）。最弱點(diǎn)為1187，點(diǎn)位中誤差±4.19cm，限差為：±20.0cm。

從上述精度統(tǒng)計(jì)情況可以看出，該村片區(qū)像控網(wǎng)精度指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

3 影像預(yù)處理

無人機(jī)航攝系統(tǒng)搭載非量測數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航拍，然而相機(jī)自身的性能對測量精度影響較大。未經(jīng)過處理的航攝影像畸變差較大，無法直接用于空三測量等后續(xù)處理工作。所以，在影像進(jìn)行空三加密前，需要先對其進(jìn)行畸變差改正。在沒有室內(nèi)和室外高精度檢校場的情況下，通常是根據(jù)非量測數(shù)碼相機(jī)提供的鑒定報(bào)告，利用DPGrid系統(tǒng)內(nèi)的小像幅影像畸變差校正模塊對影像進(jìn)行畸變差改正。

4 空中三角測量

4.1 空三加密經(jīng)過像點(diǎn)連接、像控點(diǎn)量測、平差計(jì)算過程

（1）量測外控點(diǎn)時(shí)，先量測測區(qū)四周的像控點(diǎn)6個(gè)以后進(jìn)行平差，其它像控點(diǎn)就可以通過預(yù)測的功能來找到大概位置達(dá)到快速量測旳目的。外控點(diǎn)的量測由專業(yè)人員進(jìn)行，并由另外一位專業(yè)人員檢查。（2）應(yīng)用外業(yè)工序提供基礎(chǔ)控制點(diǎn)參與計(jì)算，提升空三加密的整體精度；應(yīng)用外業(yè)工序提供的實(shí)測高程點(diǎn)檢測空三加密精度。（3）量測完后進(jìn)行最終的平差解算，首先將物方標(biāo)準(zhǔn)方差權(quán)放大，進(jìn)行粗差的消除，然后逐步提高物方權(quán)重，確保粗差被全部探測出，最后給合適的權(quán)值強(qiáng)制平差。DPGrid系統(tǒng)中的空三模塊為全自動(dòng)空三軟件。系統(tǒng)根據(jù)建好的航線列表進(jìn)行全測區(qū)自動(dòng)匹配，接下來通過自動(dòng)挑點(diǎn)程序?qū)⒋植畲蟆⒍嘤嗟南顸c(diǎn)剔除。然后，進(jìn)行連接點(diǎn)的交互編輯，根據(jù)刺好的控制點(diǎn)進(jìn)行光束法平差解算，直到加密完成，輸出空中結(jié)果。

4.2 區(qū)域網(wǎng)空中三角測量

根據(jù)連接點(diǎn)（加密點(diǎn)）的影像坐標(biāo)以和少量地面控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)及其物方空間坐標(biāo)，通過平差計(jì)算，求解影像的外方位元素和連接點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)，稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測量?？杖郎y量提供的平差結(jié)果是影像后續(xù)處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

5 DEM、DOM制作

5.1 DEM制作

首先，根據(jù)空三加密成果，對無人機(jī)航攝的原始影像進(jìn)行重釆樣生成核線影像。其次，系統(tǒng)自動(dòng)匹配三維離散點(diǎn)，得到攝區(qū)的DSM。最后，經(jīng)過自動(dòng)濾波便可得到DEM。雖然DPGrid系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)匹配，但是由于現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性（如水體、樹木、陰影）以及人工地物的影響，所以實(shí)際生產(chǎn)中為了提高DEM的精度，需要對DEM進(jìn)行人工編輯。因?yàn)镈EM是原始航片進(jìn)行糾正的基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確的DEM才能保證DOM的精度。

5.2 DOM制作

DPGrid系統(tǒng)全自動(dòng)生成DOM主要包括：DEM數(shù)據(jù)處理、影像勻光勻色處理、DOM糾正處理、色調(diào)均衡處理以及DOM鑲嵌處理。系統(tǒng)生成的初步DOM結(jié)果，還要經(jīng)過人工編輯，對初始DOM成果進(jìn)行顏色和幾何處理，才能真正滿足對DOM成果的要求。

6 1：2 000地形圖制作

配合DEM將DOM進(jìn)行校正，然后在拼接生成完整的區(qū)域地圖。最后，將區(qū)域整體導(dǎo)入到VirtuoZoNT軟件中進(jìn)行測圖，生成最終的地形圖（圖1）。

根據(jù)航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范及地形圖圖式進(jìn)行地物、地貌要素的采集。外業(yè)調(diào)繪人員利用已有的圖紙和測圖數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪、修測、補(bǔ)測等工作。

7 無人機(jī)航攝影像成圖精度分析

采用GPS快速靜態(tài)方式獲取該攝區(qū)外業(yè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該樹片區(qū)抽查了4幅圖（占該片區(qū)圖幅數(shù)的10%），共83個(gè)檢査點(diǎn)。對比這些外業(yè)檢查點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)與圖上坐標(biāo)，計(jì)算出兩組坐標(biāo)的及高程差值。根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出每個(gè)檢查點(diǎn)的平面中誤差。具體計(jì)算結(jié)果如下。經(jīng)過整理計(jì)算，該村片區(qū)地物點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差為0.72m；高程中誤差為0.69m。根據(jù)點(diǎn)位中誤差計(jì)算結(jié)果繪制點(diǎn)位誤差分布圖。點(diǎn)位誤差分布圖更直觀的反映了每個(gè)檢查點(diǎn)的誤差分布情況?？梢钥闯鼋^大多數(shù)點(diǎn)位誤差分布在0～0.8m之間，其平面精度滿足1：2 000地形圖的要求。此外，我們將影像數(shù)據(jù)制作的地形圖與已有的1：2 000地形圖數(shù)據(jù)在CASS中進(jìn)行套合比較。

8 結(jié)語

該文分析了無人機(jī)航攝系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了無人機(jī)低空航攝規(guī)范。詳細(xì)描述了無人機(jī)航測系統(tǒng)測繪1：2 000地形圖的具體工作流程，并對最終生成的地形圖進(jìn)行了精度評定，基本滿足1：2 000地形圖的精度要求。

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