無(wú)人機(jī)在城市基本地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

高志國(guó)

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510060)

無(wú)人機(jī)在城市基本地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

高志國(guó)1，2*

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510060)

依托低空無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行1∶500大比例尺地形圖數(shù)據(jù)快速獲取與處理方法的應(yīng)用研究，簡(jiǎn)述了無(wú)人機(jī)作業(yè)的主要工作流程，探討了無(wú)人機(jī)測(cè)圖的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合廣州市2016年度基礎(chǔ)地形圖更新項(xiàng)目進(jìn)行了 1∶500大比例尺地形圖生產(chǎn)與成果精度評(píng)定。結(jié)果表明低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在地勢(shì)平坦、地形結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單地區(qū)滿足 1∶500大比例尺地形圖精度要求，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。

低空無(wú)人機(jī)航測(cè)；城市基本地形圖；快速測(cè)繪；1∶500地形圖；DOM

1 引 言

城市基本地形圖是進(jìn)行城市建設(shè)、規(guī)劃管理、國(guó)土資源管理等最基本的基礎(chǔ)地理信息資料。其在城市規(guī)劃、建設(shè)、交通、管理、社會(huì)與公眾服務(wù)以及可持續(xù)發(fā)展研究等眾多領(lǐng)域的作用日益重要，對(duì)基本地形圖的準(zhǔn)確性、現(xiàn)勢(shì)性和覆蓋率的要求也越來(lái)越高。

隨著數(shù)字化、智慧化城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市基本地形圖如何實(shí)現(xiàn)快速有效、實(shí)時(shí)更新，滿足城市規(guī)劃建設(shè)需要，是目前城市測(cè)繪工作亟待解決的難題之一[1]。

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)是航空遙感領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展方向，具有低成本、方便快捷、靈活機(jī)動(dòng)、高效率、高分辨率等特點(diǎn)，并已逐步應(yīng)用于大比例尺地形圖航空攝影測(cè)量領(lǐng)域[2，3]。憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可快速、高效獲取高精度、高分辨率的影像數(shù)據(jù)，成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的有效補(bǔ)充手段[4，5]。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2.1項(xiàng)目概況

為滿足廣州市規(guī)劃建設(shè)需要，實(shí)現(xiàn)廣州市基礎(chǔ)地形圖全覆蓋，并建立廣州市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，更好地為廣州市十三五規(guī)劃的實(shí)施提供基礎(chǔ)測(cè)繪保障，廣州市開展了2016年度城市基本地形圖更新工作(1∶500數(shù)字化地形圖測(cè)量及數(shù)據(jù)入庫(kù))，項(xiàng)目測(cè)量面積 121.4 km2。本項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)踐測(cè)區(qū)選擇為赤泥C作業(yè)區(qū)，航測(cè)面積 3 km2，如圖1所示。

圖1 基本地形圖更新項(xiàng)目測(cè)區(qū)示意圖

2.2低空無(wú)人機(jī)平臺(tái)

本項(xiàng)目采用TrimbleUX5HP無(wú)人機(jī)(如圖2所示)，該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、全自動(dòng)、精度高等特性，系統(tǒng)集成高性能Trimble GNSS接收機(jī)和a7R全畫幅相機(jī)能夠采集高分辨率的影像數(shù)據(jù)。后處理動(dòng)態(tài)(PPK)GNSS技術(shù)可在絕對(duì)系統(tǒng)中建立非常準(zhǔn)確的圖像位置，有效減少地面控制點(diǎn)，獲得高精度成果數(shù)據(jù)。

圖2 UX5HPUAV

3 工作流程

無(wú)人機(jī)航測(cè)制作大比例尺地形圖的主要工作流程如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)測(cè)圖主要工作流程

3.1作業(yè)準(zhǔn)備工作

主要準(zhǔn)備工作包括：資料準(zhǔn)備、設(shè)備準(zhǔn)備、相機(jī)檢測(cè)等。

(1)收集測(cè)區(qū)基礎(chǔ)資料，如基礎(chǔ)地形圖、衛(wèi)星影像資料、控制成果等，了解測(cè)區(qū)地理位置及情況。

(2)相機(jī)檢校，獲取準(zhǔn)確的相機(jī)內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。

(3)飛行平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢校與常規(guī)檢查確保航攝平臺(tái)各設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)符合規(guī)范要求。

(4)現(xiàn)場(chǎng)踏勘選擇合適的起降場(chǎng)地。

3.2航攝作業(yè)

3.2.1 航線設(shè)計(jì)

UX5HP飛行航線設(shè)計(jì)利用Aerial Imaging軟件完成；為滿足測(cè)圖精度要求，提高飛行效率，本次航線設(shè)計(jì)采用索尼a7R II相機(jī) 35 mm鏡頭，航向重疊度設(shè)計(jì)為80%，旁向重疊度設(shè)計(jì)為80%，地面分辨率設(shè)計(jì)為 5 cm，航高設(shè)計(jì) 375 m，如圖4所示。

圖4 航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.2.2 控制點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

本項(xiàng)目航測(cè)采用地面架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，利用PPK后處理動(dòng)態(tài)差分技術(shù)提高定位解算精度。控制點(diǎn)布設(shè)按照相關(guān)規(guī)范要求，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)地面控制點(diǎn)，利用廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)測(cè)量像控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過廣州市似大地水準(zhǔn)面精化成果轉(zhuǎn)換為廣州市坐標(biāo)系坐標(biāo)，共布設(shè)及測(cè)量控制點(diǎn)40個(gè)，如圖5所示。

圖5控制點(diǎn)布設(shè)方案

3.2.3 影像獲取

影像獲取主要包括起飛前檢查、無(wú)人機(jī)航飛、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)整理、檢查等。

(1)起飛前檢查

為確保無(wú)人機(jī)航攝安全，飛機(jī)通電后需要進(jìn)行自檢及嚴(yán)格的安全檢查，具體如下：

①gBox狀態(tài)檢查，線纜連接檢查、GNSS天線視野開闊、gBox正常啟動(dòng)、鎖定衛(wèi)星檢查。

②相機(jī)檢查，SD檢查、相機(jī)設(shè)置檢查、設(shè)置快門速度、清潔相機(jī)鏡頭和濾鏡、相機(jī)熱插拔線路連接、尼龍扣帶固定、相機(jī)觸發(fā)器檢查、快門反饋檢查。

③跟蹤器檢查，確保跟蹤器打開、接收器接收信號(hào)檢查。

④升降翼檢查，外弦升降翼與內(nèi)弦升降翼水平檢查、升降翼反應(yīng)檢查。

⑤發(fā)射架檢查，發(fā)射架裝配、安全插銷插入發(fā)射架、彈力繩力度檢查。

⑥空速反應(yīng)檢查，確?？账俜磻?yīng)正常。

⑦飛機(jī)定位檢查，飛機(jī)裝配到發(fā)射架上，定位螺旋槳位置、飛機(jī)位置正確。

完成起飛前檢查后，拆除安全插銷，啟用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，等待系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，即可發(fā)射無(wú)人機(jī)。

(2)無(wú)人機(jī)航飛

無(wú)人機(jī)起飛后，按照規(guī)劃路線升空進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，地面站開始對(duì)飛機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，技術(shù)員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注無(wú)人機(jī)的狀態(tài)、風(fēng)速、飛機(jī)的高度及速度等指標(biāo)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立刻做出判斷和處理，如正常即按預(yù)定線路采集完成后返航降落。項(xiàng)目共航飛9架次，采集影像數(shù)據(jù) 2 600張。

(3)數(shù)據(jù)整理及檢查

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，核查拍攝照片數(shù)量與飛行軌跡參數(shù)是否一致，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象；檢查照片質(zhì)量，是否有模糊不清等情況；現(xiàn)場(chǎng)對(duì)航飛成果質(zhì)量的進(jìn)行全面、快速檢查、計(jì)算航向重疊度、旁向重疊度、生成檢查結(jié)果報(bào)表等。檢查完成后如存在質(zhì)量問題則需重新補(bǔ)攝飛行，若無(wú)質(zhì)量問題，則本次航攝完成，如圖6所示。

圖6外業(yè)航飛質(zhì)量檢查

3.3數(shù)據(jù)處理與DOM制作

3.3.1 空三加密

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括原片檢查、POS數(shù)據(jù)整理、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)整理等。預(yù)處理完成后利用INPHO軟件進(jìn)行空三加密處理?？杖用苓^程中，在立體像對(duì)的點(diǎn)位上選刺控制點(diǎn)，通過控制點(diǎn)點(diǎn)位調(diào)整及平差優(yōu)化，最終從40個(gè)控制點(diǎn)位中選擇了28個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，其余點(diǎn)位作為檢查點(diǎn)，同時(shí)為了增加模型連接的強(qiáng)度，避免由于某一個(gè)控制點(diǎn)的誤差過大引發(fā)全局性的負(fù)面影像，在立體像片上增加一些模型連接點(diǎn)tie point參與空三平差。經(jīng)過反復(fù)的點(diǎn)位調(diào)整、優(yōu)化，最終達(dá)到平面 0.07 m，高程 0.06 m的絕對(duì)定向精度，如圖7所示。

3.3.2 DOM制作

根據(jù)上述空三加密的成果，利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正和影像重采樣，生成單片的數(shù)字正射影像DOM，由于無(wú)人機(jī)飛行高度較低，高層地物同名點(diǎn)視差較大，按照相機(jī)中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，往往會(huì)出現(xiàn)接縫和建筑物邊緣扭曲的現(xiàn)象，所以，需要對(duì)正射影像的鑲嵌線進(jìn)行人工編輯， 鑲嵌線的選取及修改盡可能避免穿過大型建筑物，選擇紋理不豐富的位置，遠(yuǎn)離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實(shí)體的邊緣等。同時(shí)，對(duì)于不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進(jìn)行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致，如圖8所示。

圖7 空三加密精度報(bào)告

圖8 0.05 m分辨率DOM成果

3.3.3 DLG立體采編

本項(xiàng)目1∶500DLG制作通過航天遠(yuǎn)景Map Matrix平臺(tái)與清華山維EPS平臺(tái)的定制與對(duì)接，利用EPS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，使立體測(cè)圖與得到“圖屬合一”的GIS數(shù)據(jù)的工作目的同時(shí)達(dá)成，相比國(guó)內(nèi)目前絕大多數(shù)的DLG生產(chǎn)流程更為高效、先進(jìn)。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，準(zhǔn)備INPHO空三平差工程文件及無(wú)人機(jī)原始影像數(shù)據(jù)，將必要的文件放到同一的文件夾的同級(jí)目錄下，如影像ID、外方位元素文件，加密點(diǎn)文件，像點(diǎn)文件等，保持文件前綴名稱一致。

(2)新建工程，打開EPS基礎(chǔ)測(cè)繪平臺(tái)，選擇航測(cè)采編模塊，建立廣州市基礎(chǔ)地理模板-500工程文件。

(3)模型恢復(fù)，選擇立體測(cè)圖菜單，加載立體像對(duì)，恢復(fù)立體模型。

(4)立體采編，掛接外接輸入設(shè)備，設(shè)置工作區(qū)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

按照立體模型實(shí)際能觀測(cè)到的原則進(jìn)行全要素采集，盡可能對(duì)可觀測(cè)到的地物按照“內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性”的原則進(jìn)行數(shù)字化跟蹤，外業(yè)調(diào)繪修編等工作，共編制1∶500DLG成果216幅，如圖9所示。

圖9編繪的DLG

4 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1建筑物投影差改正[12]

本項(xiàng)目通過前期的研究成果，采用一種聯(lián)合影像方位元素和物方三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，利用投影中心、DSM、DEM上形成的同名點(diǎn)共線關(guān)系，由DSM物方點(diǎn)利用外方位元素計(jì)算出的DEM像方點(diǎn)之間的高差所構(gòu)造出的數(shù)字高程模型，形成跟隨影像點(diǎn)位同步變化的投影高差模型，此處稱它為影像同步變化的投影數(shù)字差模型(image elevation synchronous model，IESM)，通過該模型采用共線方程解算房屋屋角的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了建筑物的半自動(dòng)投影差改正。由于測(cè)區(qū)建筑主要以低層居民房為主，利用投影差改正模型取得良好效果，如圖10所示。

4.2 EPS2012集成二次開發(fā)

本項(xiàng)目以廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測(cè)繪平臺(tái)EPS 2012為基礎(chǔ)，采用VC++6.0開發(fā)平臺(tái)及VBScript腳本語(yǔ)言進(jìn)行功能專業(yè)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序?qū)右约叭謹(jǐn)?shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)與控件庫(kù)的動(dòng)態(tài)鏈接SDL(Sunway dynamic linked library)，快速搭建了基于EPS2012航測(cè)采編平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載或輸入命令加載，如圖11所示。新開發(fā)的EPS測(cè)圖功能集成模塊化管理，通過菜單工具條加載功能，延續(xù)了EPS原有功能界面與操作習(xí)慣。同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)模板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，實(shí)現(xiàn) 1∶500～1∶2000數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在制圖顯示過程中強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、制圖輸出、數(shù)據(jù)建庫(kù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用四者一致性，有效保證數(shù)據(jù)無(wú)異化。

圖10 投影差改正原理及效果圖

圖11 基于EPS2012平臺(tái)開發(fā)的測(cè)圖系統(tǒng)

5 項(xiàng)目成果與精度分析

基于無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)，經(jīng)上述流程化的處理，得到測(cè)區(qū)DOM、DEM、DLG等，為了保證成果精度，對(duì)本次航攝測(cè)繪的地形圖成果精度進(jìn)行外業(yè)檢測(cè)，采用GZCORS_RTK快速獲取外業(yè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)施測(cè)平面坐標(biāo)及高程檢測(cè)點(diǎn)122個(gè)、距離檢測(cè)點(diǎn)83個(gè)，利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算出各個(gè)檢查點(diǎn)的中誤差，依據(jù)計(jì)算結(jié)果可得(如表1所示)，本次航攝繪制的 1∶500地形圖精度滿足《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求?？勺鳛榛A(chǔ)測(cè)繪成果提供使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文無(wú)人機(jī)航攝測(cè)繪大比例尺地形圖生產(chǎn)應(yīng)用，基于地形結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、地勢(shì)比較平坦地區(qū)，經(jīng)實(shí)地檢測(cè)，成果滿足大比例尺地形圖精度要求，作業(yè)效率也較傳統(tǒng)測(cè)量模式有大幅提高，有效提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，加快了內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)成產(chǎn)的一體化作業(yè)流程。滿足了項(xiàng)目建設(shè)快速完成測(cè)繪任務(wù)的要求，為大比例尺地形圖快速測(cè)繪提供了新的技術(shù)手段。

隨著數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)的全面發(fā)展，城市規(guī)劃及建設(shè)對(duì)地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來(lái)越短。低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)，憑借低空作業(yè)、機(jī)動(dòng)靈活、高分辨率、高精度、高效率、低成本等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、低空航空攝影、應(yīng)急測(cè)繪、環(huán)保監(jiān)測(cè)、工程勘察等領(lǐng)域。隨著無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)的不斷成熟，續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、小像幅等缺點(diǎn)也將逐步得到改善，使其有更廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)地形圖精度檢測(cè)表 表1

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ApplicationofUAVinSurveyingandMappingofUrbanBasicTopographicMap

Gao Zhiguo1，2

(1.Guangzhou Urban Planning Design & Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center，Guangzhou 510060，China)

Application research and processing method for rapid acquisition the1∶500 large scale topographic map data relies on the Unmanned Aerial Vehicle low altitude aerial system，introduced the main workflow and the key technologies of UAV image mapping is studied，in the city of 2016 basic map updating project with low-altitude UAV aerial production the 1∶500 large scale topographic map production practice and Accuracy Analysis of Project Achievements.The result show that UAV aerial surveying technique can meet the requirements of 1∶500 large scale topographic map has obvious technical advantage and good application prospect in large-scale topographic map rapid mapping in flat terrain and simple terrain structure.

UAV-aerial system；urban basic topographic map；rapidSurveying；1∶500 topographic map；DOM

1672-8262(2017)05-29-06

P231.5

B

2017—07—26

高志國(guó)(1981—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事測(cè)繪新技術(shù)研究及應(yīng)用。

廣東省科技計(jì)劃產(chǎn)學(xué)研專項(xiàng)(2015B090903020)

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測(cè)優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)。