無人機航空攝影測量技術在地形測繪中的應用探析

何先寧

(四川中水成勘院測繪工程有限責任公司，四川 成都 610000)

鑒于傳統(tǒng)測繪技術具有外業(yè)測量工作量大、成本高、流程繁瑣及測量精度不高等技術缺陷，本文提出采用無人機航空攝影測量技術，結合工程實例，根據無人機UAV航測系統(tǒng)原理，經無人機航空攝影和像片控制測量，采集基于Pix4D mapper航測數據處理系統(tǒng)收集的數據，并通過分析研究，為工程地形測繪提供決策依據。

1 無人機航空攝影測量技術分析

1.1 技術原理

無人機航空攝影測量技術以UAV無人機航測系統(tǒng)為載體，集成了空中拍攝、無人機遙控遙測和視頻影像傳輸處理等多種技術。無人機航測技術主要借助無人機、影像航拍設備、地面航線設計應用軟件、無人機航攝飛行控制軟件、地面信息處理系統(tǒng)、機載數據處理系統(tǒng)等，獲取高分辨率及高精度遙感數字影像。通過無人機高空飛行作業(yè)，搭載數字航測設備進行工程地形遙感測繪，借助信息數據處理系統(tǒng)對無人機航空攝影所得相關遙感影像數據進行后期加工，從而制作形成符合各種比例尺精度要求及國家地形測繪標準的地圖產品。

1.2 工作流程

采用UAV無人機航測系統(tǒng)進行工程地形測繪時，需要經過無人機航空攝影，布設區(qū)域網像控點進行像片控制測量，全數字空中三角測量，相關數據采集及外業(yè)調繪及野外實測成果質量驗收幾個主要步驟流程，具體流程如圖1所示。

圖1 無人機航空攝影測量技術在地形測繪中的總體應用流程

2 地形測繪工程實例概況

2018年6月，受單位委托，四川中水成勘院測繪工程有限責任公司承擔我國西南某市1∶2000現狀地形圖的測繪任務。該測區(qū)位于地形類別為山地，平均海拔為700 m，海拔最高處為850 m，最低處為550 m，測區(qū)實際面積為6.4 km2。總體來看，該測區(qū)地形高低起伏大，崎嶇不平，無法采用傳統(tǒng)全野外測繪方法進行地形測繪，但測區(qū)工程總體平面視野開闊，適合航空攝影測量，故本工程決定采用無人機航測方案，高程系統(tǒng)和平面坐標系統(tǒng)采用1985國家高程基準和1980西安坐標系。

3 無人機航空攝影測量技術在地形測繪中的應用

3.1 P700E型無人機航空攝影

在綜合考慮當地氣候條件及測區(qū)地形面積、夏季空域情況等因素基礎上，本工程基于測量精度較高、續(xù)航時間較長的UX5-HP固定翼無人機進行航空攝影測量，同時借助鏡頭焦距為35 mm的Canon 5D Mark I數碼相機，嚴格按照本測區(qū)任務要求，采用自帶專業(yè)航線軟件設計無人機航空攝影測量飛行計劃。

本次測繪采用的無人機最大載重2.9 kg，測區(qū)無人機航飛最大速度為85 km/h，可持續(xù)續(xù)航約40 min。按照計劃，本次測繪任務主要由4個架次的無人機進行飛行航測，相對航高為500 m，共設計飛行航線6條。在6.2 km。2的航飛面積內飛行約2.5 h，最終一共獲取航空攝影圖像365幅。經檢查，365張航空影像的反差適中，色彩總體來看清晰且均勻，而且色調正常，能夠滿足無人機航空攝影及地形測繪技術實施要求。

3.2 布設區(qū)域網像控點進行像片控制測量

結合無人及飛行架次設計情況和測區(qū)地形條件，基于區(qū)域網布設像控點，將全測區(qū)劃分為若干網區(qū)，同時將平高控制點設置于2條及以上平行航線處，要求每對像控點實際像距應≤4條基線，且應在標準點位處分布。

為提高像片控制測量及加密像控點精度，測繪時，將高程點和平高點分別增設于本測區(qū)區(qū)域網的的凹角處和凸角處。本工程測區(qū)內已建有四等GNSS控制網，為了確保加密控制點質量，本工程在像片控制測量過程中，基于HBCORS網絡RTK聯測，考慮到該測區(qū)平均海拔較高，地形條件復雜，對高程控制點也進行了平面坐標測量。

3.3 基于Pix4D mapper全數字系統(tǒng)空中三角測量

在本工程全數字空中三角測量過程中，主要采用無需人工進行干預的Pix4D mapper航測數據處理系統(tǒng)進行測量。Pix4D mapper系統(tǒng)是一種高精度、全自動以及快速的能夠基于無人機航空攝影遙感影像內容，采用光束法區(qū)域網平差軟件自動對原始影像進行真實定位和計算原始影像相關參數的區(qū)域網平差優(yōu)化技術。在實施中，主要基于該系統(tǒng)的全數字化和自動化技術優(yōu)勢，分別經過內定向、相對定向和選取加密點、轉點、構建區(qū)域網、連接模型、整理加密點成本等技術實施流程，獲得真實的空中三角測量成果。

3.4 相關數據采集及外業(yè)調繪

在采集相關測繪數據資料時，本研究主要基于一種新型數字攝影測量系統(tǒng)——MapMatrix，直接利用空三加密成果按照所見即所得方式準確獲取全數字空中三角測量結果，并基于該數字產品建立和恢復立體模型，全要素采集并制作DOM數字正射影像和DLG數字線劃圖。

3.5 野外實測成果質量驗收

在野外實測數據成果資料質量檢查、驗收過程中，首先需要按照一定比例要求，套合內業(yè)數據采集所獲取的DOM數字正射影像圖資料和數字線劃圖DLG，然后，將數字圖紙打印為紙質測繪成果資料圖，對照打印好的圖紙，通過外業(yè)調繪，針對內業(yè)數據采集不可見或遺漏的相關地物、地貌等，然后對其實際地物屬性信息進行注記，經依次經過改正屋檐和高程點補測等質量檢查環(huán)節(jié)，最終基于CASS7. 0軟件編輯整飾成圖。

在檢查核DLG圖的質量精度時，本工程實際采用HBCORS網絡RTK野外實測法，針對27.6%的外業(yè)調繪成果圖進行實地檢測，其占野外巡視總比例的21.3%，有36幅，43幅經過實地檢測，最終從圖上選取53個明顯地物點，主要包括“山頂”、“交叉道路點”、“房角”、“田坎交叉點”等幾個不同類型。

針對圖上采集的坐標和野外實測坐標進行一一對比分析，根據“高程精度”和“平面精度”兩個方面的指標要求進行DLG圖精度統(tǒng)計匯總。

結果顯示：

(1)“田坎”地物類型平面精度的最大誤差為0.297 m，中誤差為0.190 m；而其高程精度的最大誤差為0.403 m，中誤差為0.37 m。

(2)“房角”地物類型的平面精度最大誤差為0.376 m，中誤差為0.27 m；而其高程精度的最大誤差為0.572 m，中誤差為0.47 m。

(3)“道路”地物類型的平面精度最大誤差為0.398 m，中誤差為0.29 m；而其高程精度的最大誤差為0.292 m，中誤差為0.27 m。

(4)“山頂”地物類型平面精度的最大誤差為0.562 m，中誤差為0.48 m；而其高程精度的最大誤差為0.699 m，中誤差為0.66 m。

通過上述數據結果可知，檢查地物點“田坎”、“房角”、“道路”及“山頂”四種地物類型平面位置最大誤差分別為0.297、0.572 、0.398、0.699 m，而按照我國現行基礎地理信息數字成果相關技術實施要求，1∶2000數字線劃圖(DLG) 地形圖中山地、高山地地物點的平面位置中誤差為0.8 m，而丘陵和平地處的中誤差為 0.6 m，另外山地、高山地、平地、丘陵四種地物類型地形圖上地物點高程中誤差允許值分別為 1.5 m和 0.7 m所以經對比分析，本研究基于無人機UAV航測系統(tǒng)所獲取的案例工程地形測繪成果符合(CH/9008.1—2010)現行相關技術要求，經地形測繪所得數字線劃圖(DLG)成果經綜合評定，結果均為“合格”，為工程后期建設實施提供了參考依據。

4 結語

城鎮(zhèn)化建設步伐加快，對地形測繪技術和質量均提出更高要求。在傳統(tǒng)地形測繪中，采用的測繪技術無法滿足大比例地形圖繪制需求，且只能在局部小范圍內進行測圖，相關測繪數據結果的更新則主要依賴于人工來完成。這種測繪工作方式不僅勞動強度大，而且作業(yè)效率低，無法滿足當今地理信息產業(yè)化時代的工程地形測繪要求。本文在某案例工程地形測繪中，采用無人機航空攝影測量技術進行了測繪分析，最終取得符合要求的數字影像地形圖，為工程建設提供了豐富的數字化、可視化成果。