無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)量中的應(yīng)用

王水清

摘 要：當(dāng)今，無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)日趨成熟，在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用非常廣泛。由此，本文著重介紹無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在1∶1 000地形圖成圖的流程、要點(diǎn)及最終成果精度評(píng)價(jià)，以供同行業(yè)人士參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);低空攝影測(cè)量;大比例尺;地形圖

中圖分類號(hào)：P231.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）17-0017-06

Abstract： Nowadays UAV low-altitude photogrammetry technology is increasingly mature， and it is widely used in the field of topographic map measurement. This paper mainly introduced the whole process， key points and accuracy evaluation of the final result of uav low-altitude photogrammetry technology in 1∶1 000 topographic map mapping， so as to provide reference for people in the same industry.

Keywords： UAV;low altitude photogrammetry;large scale;topographic map

無人機(jī)低空攝影測(cè)量克服了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量審批手續(xù)多、造價(jià)高、技術(shù)難點(diǎn)多及實(shí)施難度大等缺點(diǎn)，具有無需審批或?qū)徟掷m(xù)簡單、成本低、數(shù)據(jù)處理手段技術(shù)先進(jìn)及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。其是目前野外地理信息數(shù)據(jù)采集最先進(jìn)的技術(shù)手段之一，是建立各種對(duì)象的基礎(chǔ)GIS地理信息系統(tǒng)最快捷、高有效的工具，對(duì)加快實(shí)現(xiàn)智能城市乃至數(shù)字中國有著重要的意義。

本文闡述了采用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)一體化測(cè)圖系統(tǒng)PixelGrid實(shí)施某測(cè)區(qū)1∶1 000地形圖無人機(jī)低空攝影測(cè)量外業(yè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成圖的流程和要點(diǎn)。

1 無人機(jī)低空攝影測(cè)量成圖要點(diǎn)及流程

1.1 無人機(jī)低空攝影測(cè)量成圖要點(diǎn)

無人機(jī)低空攝影測(cè)量成圖要點(diǎn)共分為三大部分：第一是測(cè)圖前的準(zhǔn)備工作;第二是外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作;第三是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理并形成用戶所需要的測(cè)繪產(chǎn)品。

1.2 操作流程

無人機(jī)低空攝影測(cè)量成圖操作流程如圖1所示。

2 航攝平臺(tái)硬件選型及功能

2.1 硬件設(shè)備選型

硬件設(shè)備選型如表1所示。

2.2 硬件功能

本次采用的是南方天行HQ1300無人機(jī)平臺(tái)，其具有連續(xù)飛行時(shí)間長、飛行高度在300m以內(nèi)，且具有適用于陰雨天、自動(dòng)避開云層、起飛方便等功能;攝影相機(jī)具有重量輕、精度高及數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)勢(shì);影像處理設(shè)備配置高，數(shù)據(jù)處理速度快。

3 無人機(jī)低空航攝測(cè)量軟件構(gòu)成及功能

3.1 飛行測(cè)量及控制地面工作站

飛行測(cè)量及控制地面工作站包括無人機(jī)飛行控制及攝影影像采集兩大部分。其主要具有以下幾方面功能。①具有進(jìn)行測(cè)區(qū)查詢、確定最優(yōu)航線、飛行參數(shù)預(yù)置、質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能。②地面站系統(tǒng)內(nèi)存至少配備4G，并且安裝有超過320G的存儲(chǔ)硬盤，可存檔大量的攝影和攝像成果。由于配有高性能電池，可連續(xù)供電超過4h，能滿足外場(chǎng)工作的需要。③能根據(jù)全部測(cè)區(qū)范圍、設(shè)備硬件功能、項(xiàng)目成品技術(shù)要求，設(shè)計(jì)飛行方向、飛行架次等[1]。

3.2 無人機(jī)飛行控制導(dǎo)航系統(tǒng)

本次采用的天行HQ1300型無人機(jī)飛控導(dǎo)航系統(tǒng)包含機(jī)載飛行控制單元、地面工作站和通信單元等。其主要具有以下幾方面功能。①可以適用于自動(dòng)控制各種無人機(jī)穩(wěn)定飛行，實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)自動(dòng)導(dǎo)航飛行，具有多任務(wù)設(shè)備接口，飛行過程中，可根據(jù)實(shí)際情況在地面站上人工隨時(shí)更改飛行參數(shù)。②此系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度及控制精度高、設(shè)備安全性能完善、人機(jī)交互界面友好等優(yōu)點(diǎn)。

4 無人機(jī)低空航攝測(cè)量要求

4.1 主要技術(shù)要求

地面分辨率：優(yōu)于10cm，滿足1∶1 000成圖要求;基本航線方向：根據(jù)測(cè)區(qū)范圍及當(dāng)?shù)貧夂驐l件確定航線方向;重疊度要求：山地航向重疊一般60%±2%，最小值不能低于55%，旁向重疊一般30%±2%，最小值不能低于20%;航攝范圍覆蓋：需要覆蓋整個(gè)范圍;航線布設(shè)要求：航線平行、間隔相等，并滿足航拍重疊要求;航高確定：本項(xiàng)目采用索尼A6000進(jìn)行航攝，相機(jī)焦距為20mm（根據(jù)測(cè)區(qū)高差不同采取不同焦距的相機(jī)）[2]。數(shù)字航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度。航高確定如圖2所示。

其中：

（2）

式中：[h]為飛行高度;[f]為鏡頭焦距;[a]為像元尺寸;[GSD]為地面分辨率。

本次航攝地面分辨率為優(yōu)于10cm。本次航攝分區(qū)，總攝區(qū)范圍為多個(gè)航攝區(qū)域。

此外，對(duì)航攝相機(jī)的質(zhì)量要求如下。①曝光時(shí)間要短，減少像點(diǎn)位移誤差。②通過縮小光圈提高基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。③低感光度。若沒有像點(diǎn)位移補(bǔ)償功能，則快門速度應(yīng)滿足式（3）。④基礎(chǔ)影像應(yīng)避免云影、光斑或人為的斑點(diǎn)、污漬非正常像素，影像有效范圍內(nèi)禁止明顯的“顆?！爆F(xiàn)象。

[最大曝光時(shí)間×飛機(jī)地速<1.6×GSD] ? ? （3）

對(duì)飛行時(shí)間的要求如下：①在規(guī)定的航攝期限內(nèi)，選擇大氣透明度好、對(duì)成圖影響較小的季節(jié)和時(shí)間段進(jìn)行拍攝，盡量避免植被、積雪、云霧、揚(yáng)塵（沙）等因素的影響;②要提前收集GPS衛(wèi)星預(yù)報(bào)資料，盡量選擇PDOP值小于3的時(shí)間段進(jìn)行攝影。

對(duì)飛行的要求如下：①進(jìn)入攝區(qū)前，要組織飛行和攝影人員進(jìn)行航線設(shè)計(jì)的技術(shù)講評(píng);②飛行前要檢查設(shè)備能否正常工作，核查參數(shù)設(shè)置是否正確;③航攝時(shí)，既要保證具有充足光照，又要避免過大陰影;④為確保設(shè)備安全，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，嚴(yán)禁打開航攝系統(tǒng)的電源開關(guān);⑤在確保航攝系統(tǒng)初始化、各項(xiàng)設(shè)置和狀態(tài)正常后，無人機(jī)方能滑行起飛。

4.2 野外航攝工作組織要求

野外航攝工作組織流程如表2所示。

4.3 飛行控制要求

4.3.1 姿態(tài)控制。按照設(shè)計(jì)的航線，選派技術(shù)好、經(jīng)驗(yàn)豐富的操控手和地面設(shè)計(jì)人員，保持好飛行姿態(tài)，確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合相關(guān)要求[3]。

4.3.2 覆蓋控制。每次飛行結(jié)束后，要對(duì)旁向重疊、范圍等元素進(jìn)行逐一檢查，對(duì)于不符合要求的產(chǎn)品，必須及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)攝或重?cái)z。

4.4 POS（GPS）控制要求

POS（GPS）控制要求如下：①調(diào)試設(shè)備正常工作;②

保證系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備容量滿足項(xiàng)目航攝數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求;③設(shè)置航攝系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù);④飛機(jī)滑行期間應(yīng)排除障礙物造成GPS衛(wèi)星信號(hào)失鎖的現(xiàn)象;⑤嚴(yán)格按照技術(shù)要求控制飛機(jī)上升、下降速率，以免造成GPS衛(wèi)星信號(hào)失鎖;⑥航攝飛行過程中，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，重點(diǎn)避免GPS信號(hào)失鎖現(xiàn)象及其他突發(fā)事件，并做好應(yīng)急處理。

4.5 補(bǔ)攝與重?cái)z要求

補(bǔ)攝與重?cái)z要求如下：①航攝過程中出現(xiàn)漏攝或影像不滿足質(zhì)量要求的情況必須及時(shí)補(bǔ)攝;②數(shù)字影像出現(xiàn)大面積反光或局部缺陷（如云、云影等）時(shí)，應(yīng)予補(bǔ)攝;③漏洞補(bǔ)攝必須按原設(shè)計(jì)航跡進(jìn)行，對(duì)于補(bǔ)攝航線的兩端一般應(yīng)超出漏洞區(qū)域外兩條基線[4]。

5 外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量

5.1 像控測(cè)量流程

按照《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》的要求，進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，并擬定如圖3所示的像控測(cè)量技術(shù)工作流程圖。

5.2 像控點(diǎn)布設(shè)、選刺要求

①根據(jù)測(cè)區(qū)地形特征和航攝資料情況以及以往類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)屬于山地，困難地區(qū)無法實(shí)測(cè)外業(yè)像控點(diǎn)，按照2km2內(nèi)一到兩個(gè)平高點(diǎn)布設(shè)，不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)一般在凹拐角處加布平高點(diǎn)。

②像片控制點(diǎn)布設(shè)要求：點(diǎn)位標(biāo)志醒目、易于判刺;控制點(diǎn)距像片上各類標(biāo)志及像片邊緣距離大于等于地形圖比例尺*0.1mm;控制點(diǎn)應(yīng)在旁向重疊中線附近，保證接圖精度。特殊地區(qū)布點(diǎn)：針對(duì)沒有任何地物特征信息的區(qū)域（如荒漠、沙地等區(qū)域），在飛行前應(yīng)布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地量測(cè)，以保證量測(cè)的控制點(diǎn)滿足測(cè)區(qū)進(jìn)行全數(shù)字空中三角測(cè)量的要求[5]。

③采用TRK直接對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行控制測(cè)量。本次RTK控制測(cè)量采用單基站RTK，測(cè)量方法如下。

選埋點(diǎn)要求為：點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安放儀器、視野開闊的地點(diǎn);為了避免GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收，GPS視場(chǎng)周圍15°以上不應(yīng)有遮擋物;點(diǎn)位應(yīng)盡量避免各種電磁場(chǎng)及高壓線對(duì)GPS信號(hào)的干擾。

同時(shí)，利用RTK測(cè)量時(shí)，其衛(wèi)星狀態(tài)應(yīng)符合《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范》（CH/T2009-2010）中5.1.6表1要求。

④像控測(cè)量質(zhì)量控制要點(diǎn)。第一，像控點(diǎn)選刺與整飾的質(zhì)量檢查。檢查像控點(diǎn)在相片上的位置條件、刺點(diǎn)轉(zhuǎn)刺及整飾是否符合技術(shù)要求;檢查刺點(diǎn)略圖與影像地形是否相符，說明注記是否完整準(zhǔn)確清楚。

第二，外業(yè)資料檢查。檢查野外觀測(cè)手簿是否齊全，觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容是否完整。

第三，網(wǎng)絡(luò)RTK參數(shù)及后續(xù)處理數(shù)據(jù)檢查。檢查觀測(cè)參數(shù)及觀測(cè)數(shù)據(jù)是否剔除了粗差及不可靠數(shù)據(jù)，檢查觀測(cè)參數(shù)是否正確;檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，是否剔除了粗差及不可靠數(shù)據(jù)， 是否檢測(cè)已知點(diǎn)， 較差是否符合限差要求。

第四，內(nèi)業(yè)成果檢查。檢查內(nèi)業(yè)成果是否注明平面坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、高程系統(tǒng)、點(diǎn)號(hào)、刺點(diǎn)片號(hào)、坐標(biāo)及高程、作業(yè)方法、精度等信息，整個(gè)測(cè)區(qū)像控點(diǎn)布點(diǎn)結(jié)合圖是否齊全。

6 DOM制作

根據(jù)無人機(jī)航空遙感影像及野外實(shí)測(cè)像控點(diǎn)資料進(jìn)行全數(shù)字空中三角測(cè)量加密計(jì)算，通過PixelGrid等軟件利用空三加密成果實(shí)施測(cè)區(qū)1∶1 000比例尺DOM數(shù)據(jù)的過程。

6.1 DOM制作流程

DOM數(shù)據(jù)制作流程圖如圖4所示。

6.2 具體作業(yè)方法

6.2.1 空三加密作業(yè)流程?？杖用茏鳂I(yè)流程如圖5所示。

6.2.2 自動(dòng)匹配DEM。主要是用PixelGrid生成核線影像、匹配種子點(diǎn)線立體量測(cè)、自動(dòng)影像匹配生成高精度的DSM[6]。內(nèi)插篩除DSM高于地面的對(duì)象（如房屋、樹林、高架橋等），得到用于正射糾正的DEM數(shù)據(jù)。

6.2.3 正射影像糾正。采用單片微分糾正的算法進(jìn)行糾正，在航攝區(qū)較平坦的情況下，采用隔片糾正的方法。

6.2.4 影像調(diào)色。對(duì)原始影像進(jìn)行勻光勻色處理。勻色流程如圖6所示。

6.2.5 DOM鑲嵌成圖

6.2.5.1 鑲嵌原則。①鑲嵌前保證影像間重疊限差必須否符合相關(guān)技術(shù)要求;②鑲嵌時(shí)應(yīng)盡可能保留分辨率高、時(shí)相新、云霧量少、質(zhì)量好的影像;③選取鑲嵌線對(duì)DOM進(jìn)行鑲嵌時(shí)，平原的鑲嵌線應(yīng)選擇在線狀地物或地類明顯的邊界處，山區(qū)應(yīng)選擇在山脊線處;④鑲嵌疊加相鄰糾正單元若同名地物出現(xiàn)“抖動(dòng)”或“錯(cuò)位”現(xiàn)象，要對(duì)單元進(jìn)行糾正[7]。

6.2.5.2 鑲嵌方法。在接邊滿足重疊限差及重疊區(qū)色彩一致的基礎(chǔ)上，通過在接邊處選取同名點(diǎn)，采用相鄰影像在重疊過渡區(qū)內(nèi)各糾正一半的原則進(jìn)行糾正。影像鑲嵌如圖7所示。

6.2.6 DOM標(biāo)準(zhǔn)分幅裁切。DOM制作完成后，數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)按1∶2 000國家基本比例尺地形圖標(biāo)準(zhǔn)圖幅滿幅裁切。DOM標(biāo)準(zhǔn)裁切流程如圖8所示。

7 成果資料整理匯交

最后得到的成果資料包括數(shù)據(jù)成果匯交表（略）和DOM成果資料。其中，DOM成果資料包括∶1 000 DOM分幅數(shù)據(jù)成果（tif+tfw）（電子1份）;1∶1 000 DOM圖幅接合圖（電子1份）;1∶1 000 DLG線畫圖（電子1份）。

8 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了無人機(jī)低空攝影測(cè)量在1∶1000大比例尺地形圖成圖全過程。因大比例尺地形圖要求精度高，所以對(duì)無人機(jī)低空攝影測(cè)量軟、硬件及每個(gè)步驟都有比較高的要求。通過實(shí)踐檢驗(yàn)，本次無人機(jī)低空攝影測(cè)量在1∶1000大比例尺測(cè)圖技術(shù)方案合理、可靠，本方案充分體現(xiàn)出無人機(jī)低空攝影測(cè)量成本低、效率高、精度可靠、實(shí)施人員勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)勢(shì)，為以后無人機(jī)低空攝影測(cè)量在更高精度的測(cè)繪領(lǐng)域提供了理論基礎(chǔ)。隨著無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的日益成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越廣泛，為智能城市乃至智能中國的發(fā)展發(fā)揮其極其重要的作用。

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