林蔚凱

(龍巖市勘察測(cè)繪大隊(duì)，福建 龍巖 364000)

1∶500地形圖無人機(jī)航測(cè)技術(shù)研究

林蔚凱*

(龍巖市勘察測(cè)繪大隊(duì)，福建 龍巖 364000)

無人機(jī)低空航測(cè)技術(shù)發(fā)展越來越迅速，已經(jīng)成功應(yīng)用于各行各業(yè)。本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在1∶500地形測(cè)量中的技術(shù)流程，結(jié)合龍巖市的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行外業(yè)生產(chǎn)，并進(jìn)行精度檢查。將此方法應(yīng)用在丘陵地區(qū)，不但在精度上滿足地形圖要求，而且提升了工作效率，縮短了測(cè)繪項(xiàng)目周期，為1∶500地形圖測(cè)圖項(xiàng)目提供了新的解決方案。

無人機(jī)；傳統(tǒng)測(cè)繪；精度

1 引 言

在1∶500地形圖測(cè)繪中，采用數(shù)字化測(cè)圖的作業(yè)方式更能保證地形圖地物的精度，但它需要控制網(wǎng)布設(shè)、逐個(gè)地物測(cè)繪、后期編繪等大量工作，整個(gè)作業(yè)周期很長。由于無人機(jī)、定位技術(shù)的快速發(fā)展，用戶對(duì)地形圖測(cè)繪的周期要求更短，測(cè)繪單位需要改變傳統(tǒng)的作業(yè)模式，提升效率，縮短項(xiàng)目周期。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有快速、便捷、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，但考慮無人機(jī)及相機(jī)等硬件因素，大多認(rèn)為在內(nèi)業(yè)處理及外業(yè)航攝上均需進(jìn)一步的提升才能完全滿足 1∶500的測(cè)圖精度要求[1～6]。

本文通過采用無人機(jī)航測(cè)和RTK-全站儀傳統(tǒng)測(cè)繪兩種方式對(duì)龍巖的一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)繪，并對(duì)作業(yè)成果進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)量成果滿足測(cè)量精度要求，有效地提高了生產(chǎn)效率，縮短了作業(yè)周期。

2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)概述

無人機(jī)低空航測(cè)技術(shù)主要包括準(zhǔn)備工作、外業(yè)航攝及像控點(diǎn)測(cè)量、內(nèi)業(yè)成圖和外業(yè)調(diào)繪五個(gè)階段，具體如圖1所示。

3 1∶500無人機(jī)航測(cè)技術(shù)研究

3.1 項(xiàng)目概述

本次測(cè)試選取包括了房屋、道路、水田、河流、山體等地物類型多的項(xiàng)目作為測(cè)試范圍，面積為 3.22 km2，如圖2所示。采用KC1600固定翼無人機(jī)，搭載已做過檢校的索尼a7r相機(jī)進(jìn)行航攝。相機(jī)的主要參數(shù)：CCD大小：35.9 mm×24 mm，固定焦距：36.348 mm；影像尺寸： 7 360×4 912；像元大?。?.8 μm。航飛的主要參數(shù)： ①相對(duì)航高：255 m；②航向重疊度：75%；③旁向重疊度：65%；④地面分辨率為 3 cm。

圖2 項(xiàng)目區(qū)范圍圖

3.2 控制資料

3.2.1 像控點(diǎn)

在無人機(jī)航測(cè)中，像控點(diǎn)布設(shè)均需考慮兩個(gè)條件：一是足夠數(shù)量合理分布的像控點(diǎn)；二是像控點(diǎn)的點(diǎn)位明確。目前無人航測(cè)軟件主要有Inpho、Pix4D和航天遠(yuǎn)景Mapmatrix等，本實(shí)驗(yàn)采用Inpho進(jìn)行空三加密結(jié)合Mapmatrix進(jìn)行航測(cè)成圖。無人機(jī)航攝與有人機(jī)航攝不同，其飛行高度低，速度慢，易受大氣升力、風(fēng)力的影響，造成重疊度不規(guī)則，因此對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)及量測(cè)提出以下要求：

(1)像控點(diǎn)布設(shè)

在空三加密中，像控點(diǎn)分為高程點(diǎn)(VE)、平面點(diǎn)(HO)、平高點(diǎn)(HV)、高程檢查點(diǎn)(CVE)等。本試驗(yàn)主要以平高點(diǎn)為主，部分像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，它的布設(shè)要遵循以下的準(zhǔn)則：①應(yīng)布設(shè)在航向及旁向6片或5片重疊范圍內(nèi)，使布設(shè)的像控點(diǎn)盡量均勻；②應(yīng)布設(shè)在便于查找識(shí)別的位置；③盡量布設(shè)在地表，如道路交匯處；④顏色分界清楚區(qū)域，便于像控點(diǎn)精準(zhǔn)刺點(diǎn)；⑤根據(jù)已有影像(例如谷歌影像)判斷是否存在不好布設(shè)像控點(diǎn)的地帶，如一片森林或一片稻田等，針對(duì)這種地帶，在無人機(jī)起飛之前應(yīng)灑石灰或其他建立可識(shí)別的標(biāo)志性形狀作為像控點(diǎn)。本次航飛共布設(shè)84個(gè)平高點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 像控點(diǎn)分布圖

(2)像控點(diǎn)測(cè)點(diǎn)及刺點(diǎn)

像控點(diǎn)的坐標(biāo)是否精準(zhǔn)影響整個(gè)測(cè)區(qū)的絕對(duì)定向的精度，因而對(duì)像控點(diǎn)的測(cè)量必須做到圓水泡居中，多次測(cè)量平差取值。本次航飛的像控點(diǎn)量測(cè)采用RTK量測(cè)10次后進(jìn)行平差，得到較為精準(zhǔn)的像控點(diǎn)坐標(biāo)。

選用的像片控制點(diǎn)，其目標(biāo)影像應(yīng)清晰、易于辨別，特別是測(cè)區(qū)邊緣的像控點(diǎn)一定要清晰明了無異議，點(diǎn)之記說明清楚無誤，如房角點(diǎn)，需說明是東南角還是西北角的房角點(diǎn)。

3.2.2 空三加密

空三加密是在已知少量地面控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過量測(cè)重疊像片的同名像點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)攝影測(cè)量原理，運(yùn)用解析方法求解像片外方位元素及加密點(diǎn)坐標(biāo)的工作。本次試驗(yàn)區(qū)采用Inpho 7.1做空三加密，通過將影像 POS(Position and Orientation System，定位定姿系統(tǒng))數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系由大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)為直角坐標(biāo)，影像的畸變改正、構(gòu)建影像金字塔模型、同名點(diǎn)提取、連接航帶、像控點(diǎn)刺點(diǎn)、平差等多個(gè)階段完成空三加密，本次測(cè)區(qū)的空三總共采用了82個(gè)平高點(diǎn)，14個(gè)檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)的精度如圖4所示。

圖4 空三加密檢查點(diǎn)精度記錄表

3.3 DLG生產(chǎn)

3.3.1 立體測(cè)圖

采用航天遠(yuǎn)景Mapmatrix4.2構(gòu)建立體像對(duì)，進(jìn)行內(nèi)業(yè)的立體采編。該軟件可不需要提前采集核線，可以采用實(shí)時(shí)核線進(jìn)行測(cè)圖；能根據(jù)外方位元素和影像重疊度自動(dòng)組合立體像對(duì)，生成最佳的交會(huì)角，提高測(cè)圖的高程精度；也支持自動(dòng)/手動(dòng)切換立體模型，實(shí)現(xiàn)無縫連接，降低接邊工作量和立體模型選擇的工作量，提高作業(yè)效率[7]。

3.3.2 外業(yè)調(diào)繪

立體測(cè)圖形成了初步DLG成果后，通過外業(yè)調(diào)繪，復(fù)核地物的完整性及保證成圖的精度。外業(yè)調(diào)繪的工作包括屋檐更正、電桿連線、地物核實(shí)、道路調(diào)繪、水系調(diào)繪等內(nèi)容[8]。在 1∶500無人機(jī)航測(cè)中，最困難的在于屋檐的外業(yè)更正。將一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

(1)注記：外業(yè)調(diào)繪對(duì)一幢房子往往標(biāo)記很多字樣，如尺寸、注記、層數(shù)等，建議以分色來表述，便于內(nèi)業(yè)改圖識(shí)讀，房屋結(jié)構(gòu)盡采用拼音首字母來表示，簡化外業(yè)地圖的注釋。

(2)屋檐寬度的量注：①實(shí)地量取房寬(長)反求屋檐，若單靠目估或直覺來評(píng)讀房屋的寬度往往是難以保證精度的，一定要量取房子真實(shí)的長寬，當(dāng)無法量取時(shí)，可借助圍墻(或無檐房)與其的直線共線等關(guān)系確定；②滴水線法，關(guān)鍵在于找準(zhǔn)地面上滴水痕跡，量取滴水痕跡至墻基的距離為屋檐寬度，若有排水孔、排水溝時(shí)不宜采用此法；③比較法，要嚴(yán)格判斷相鄰房屋、同一幢房屋相關(guān)的邊是否存在平行或同一個(gè)直線上等幾何關(guān)系，此法主要根據(jù)某一相鄰房屋或同一幢房屋的某些邊無屋檐時(shí)可直接改正；④目估法(吊垂線法)，將垂線切準(zhǔn)至屋檐邊線后，量取垂線至墻基的距離，此法關(guān)鍵在于目測(cè)垂球線是否切準(zhǔn)屋檐，在實(shí)際作業(yè)過程中，盡量不采用此法丈量屋檐。

(3)特殊情況的屋檐處理：如實(shí)地兩房屋原本分開，而采集時(shí)卻靠在一起，應(yīng)注意兩房屋的關(guān)系，要量取房屋的邊長來定位，并注明夾巷的寬度等。又如有女兒墻的平頂房屋，外面又有屋檐及屋檐是斜向的房屋，一定要量取房屋的長寬或幢距進(jìn)行改正等等。

4 結(jié)果分析

采用航測(cè)外業(yè)調(diào)繪改正的數(shù)據(jù)和RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要從平面精度和高程精度兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。在平面精度方面選取房屋轉(zhuǎn)角點(diǎn)、電桿點(diǎn)、田埂、坎和圍墻等地物的轉(zhuǎn)角點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，在高程精度方面選取居民區(qū)高程點(diǎn)、道路高程點(diǎn)和耕地高程點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。將在RTK-全站儀傳統(tǒng)測(cè)繪和無人機(jī)航測(cè)投入的人員及階段周期分別作一個(gè)統(tǒng)計(jì)表，如表2所示。

航測(cè)外業(yè)精度分析表 表1

續(xù)表1

項(xiàng)目周期統(tǒng)計(jì)表 表2

綜上分析，田埂、道路、坎等地物的平面精度較好，房屋精度較差；實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，屋檐更正大的平面精度更低。因此，無人機(jī)航測(cè)應(yīng)嚴(yán)格按照《中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(CJJ/T 8-2011)：城市測(cè)量規(guī)范》中 1∶500的技術(shù)要求進(jìn)行高質(zhì)量影像獲取、像控點(diǎn)布設(shè)、空三加密。從DLG成果上分析，平面精度在一定地物上是可以達(dá)到 1∶500的地形圖測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)；高程精度相對(duì)于平面精度略低，當(dāng)對(duì)高程精度要求高時(shí)，應(yīng)采用RTK-全站儀傳統(tǒng)測(cè)量方式測(cè)量。從表2可以看出，采用無人機(jī)航測(cè)之后，減少了人員的投入，縮短了項(xiàng)目周期，節(jié)約了工程測(cè)繪項(xiàng)目的成本。

5 結(jié) 論

本文采用固定翼無人機(jī)進(jìn)行低空攝影，通過充分的準(zhǔn)備工作，進(jìn)行外業(yè)的航空攝影、像控點(diǎn)測(cè)量以及內(nèi)業(yè)測(cè)圖，最終通過外業(yè)調(diào)繪階段形成試驗(yàn)區(qū) 1∶500地形圖。通過將此地形圖與同時(shí)進(jìn)行的RTK-全站儀傳統(tǒng)測(cè)繪數(shù)據(jù)成果進(jìn)行對(duì)比，分析總結(jié)出不同類別地物的誤差情況，而且在項(xiàng)目的投入上得到了很大的改善。對(duì)于電桿、道路、田埂、陡坎、河流等地物可以采用無人機(jī)航測(cè)進(jìn)行成圖，對(duì)于復(fù)雜的房屋，如成群的老建筑及相關(guān)的高程點(diǎn)，應(yīng)采用全站儀測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)充修測(cè)，當(dāng)對(duì)高程精度要求高時(shí)，應(yīng)采用RTK-全站儀傳統(tǒng)方式測(cè)量，以保證精度要求，而且也能縮短項(xiàng)目周期。

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The Research on the UAV Aerial Photogrammetry in 1∶500 Terrain Surveying

Lin Weikai

(Longyan Survey and Mapping Group，Longyan 364000，China)

The UAV aerial photogrammetry is more and more popular，and this technology was applied to many industries. This paper designed a technical process about how to use the UAV aerial photogrammetry in the 1∶500 terrain surveying. We put this opinion to use in rolling country’s survey. The result shows that it’s not only meets the requirements of topographic map，but also improves work efficiency，shortens the period of mapping project，which provides a new solution for the 1∶500 topographic mapping project.

UAV；conventional mapping；accuracy

1672-8262(2017)04-93-04

P231

A

2017—03—01

林蔚凱(1983—)，男，工程師，主要從事低空數(shù)字航空攝影測(cè)量工作。

福建省龍巖市交通研究科技項(xiàng)目(2016-重點(diǎn)-06)，本項(xiàng)目獲得2016年度福建省地理信息科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。