低空摄影测量在地形图测量中的应用探讨
来源：《地理空间信息》2017年6月
作者：徐 辉，胡 勇，袁子喨，夏传甲
第一作者简介：徐辉，高级工程师，主要研究方向为电力工程测量。
通过低空摄影测量应用于大比例尺地形图测量项目的实验，总结出低空摄影测量进行大比例尺地形图测量的作业流程，并对影响空中三角测量精度的像片控制点布设方案进行了研究，提出了像片控制点布设原则，可以为低空摄影测量在地形图测量中的应用提供参考。
1、低空摄影测量概述
无人驾驶飞机简称无人机(unmanned aerial vehicle，缩写UAV)，是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机低空数字摄影测量是近年来发展较快的一门测量技术，无人机、数码相机技术的飞速发展以及摄影测量软件数据处理能力的不断提高，为低空摄影测量技术的发展应用准备了充分的条件，国家测绘地理信息局也在全国范围内大力推广无人机低空摄影测量，发布了相应的测绘行业标准以及标准化指导性技术文件，为无人机低空摄影测量提供了作业流程及数据处理规范。
目前，在电厂、变电所(站)等勘测工程的大比例尺地形图测量作业中，仍然使用传统的工程测量作业方法，需要投入较大的人力和较多的设备，作业效率不高，而应用传统航空摄影测量或卫星遥感等测量手段投入成本较大，不适合在场站电力工程等小面积地形图测量项目中推广，因此研究无人机低空摄影测量在大比例尺地形图测量工程中的应用具有重要意义。同时，应用无人机低空摄影测量技术进行大比例尺地形图测量也符合电力工程建设测绘用图的现势性和紧迫性要求。无人机低空摄影测量技术的应用不仅可以解决传统电力工程测量周期长、数字地图不直观的不足，还大大减轻野外技术人员劳动强度，提高测绘工作效率，为设计人员提供了丰富可靠的测量产品，为优秀的设计方案提供有力的基础数据支撑。
无人机低空摄影测量的应用需要与传统高空摄影测量的作业流程进行比较，并确定适应满足工程要求的像片控制点方案，以获取满足工程要求的地形图成果。本文对无人机低空摄影测量应用于大比例尺地形图测量的作业流程和外控点布设方式进行了探讨, 为无人机低空摄影测量在大比例尺地形图(本文中的大比例尺指1 ∶ 1 000)中的应用进行了有益的尝试。
2、低空摄影测量作业流程研究
在甘肃(电厂项目)和江西(变电站项目)两处大比例尺地形图测量工程中利用无人机低空摄影测量进行了实验生产，在较短时间内就获得了符合《火电厂工程测量技术规程》(DL/T 5001-2014)要求的大比例尺数字线划图(DLG)，为工程的后续勘察设计工作争取了宝贵的时间。两个项目测区的低空摄影测量航拍工作均委托有资质的专业航飞公司进行，选择气候条件较好的时间进行了航飞，最终获得了质量较高的测区航摄影像。
为了探讨无人机低空摄影测量应用于大比例尺地形图测量的作业流程，在甘肃电厂项目中，先按照传统的航空摄影测量全野外作业方法进行外控测量，获得外控成果后，利用专业低空摄影测量处理软件(本试验采用适普公司的DPGrid 软件)进行影像预处理后进行空中三角测量，在空中三角测量过程中，采用不同的控制点方案进行区域网平差，并比较空中三角测量成果精度，利用符合规范要求的空三成果输出立体测图模型，在JX4 或VirtuoZo 软件中进行矢量测图[1-2]。上述作业流程是典型的航空摄影测量作业流程，但无人机低空摄影测量比较航空摄影测量存在较多的误差来源，有摄影测量平台误差、相机畸变误差、定向误差等，为了评定立体测图精度，在JX4 数字测图系统下生成数字地形图(草图)，使用纸质打印后，再到测区进行布设检查点位的测量、野外调绘、电力线及管线等补测，计算内外业高程差值，通过外业检查测量的方法评定其精度。通过对甘肃电厂项目(测区1)进行外业检测比较，平面精度较好，均能满足规范要求，高程需要进行修正处理，检测比较的高程中误差为m=±0.41 m，不能满足工程大比例尺地形图测量规范要求。
为了获得满足规范要求的数字线划图成果，在甘肃电厂项目(测区1)中进行了高程拟合修正试验，得出了利用部分外业检查测量点对内业测量点高程进行拟合修正的有效方法，利用编制的数据处理软件计算野外测量数据与JX4 内业测量数据的高程差值并进行拟合，我们对拟合改正后的高程点进行实地再次检测，其高程差值的绝对值均小于0.3 m，统计计算高程误差为±0.15 m。
通过总结甘肃电厂项目经验，获得测量作业流程，在江西变电所项目中又对该流程进行了验证，经过上述流程得出的地形图高程精度统计如表1 所示。
通过以上试验，总结出无人机低空数字航空摄影测量技术在地形图工程测量中作业流程，主要分为以下工序：
1)利用无人机低空摄影获取航摄影像。
2)利用获得的影像进行像控点布设方案设计。
3)在实地进行像片控制点测量。
4)像片控制测量完成后进行外业调绘和相关检查测量。
5)利用专业的低空摄影测量影像数据处理软件进行影像数据预处理和空中三角测量，并对空三成果精度进行精度评定，通过选取不同的控制点进行空中三角测量，确保获得的空三成果符合规范要求。
6)利用软件输出数字高程模型(DEM)并制作数字正射影像图(DOM)，同时输出立体测图模型。
7)利用外业实地测量点数据对内业测量矢量图进行精度评定，对精度不满足要求的区域进行内业高程修正并重新评定其精度，确保评定精度满足规范要求。
8)资料整理与归档。
完整的作业流程图如图1 所示。
从流程图中可以发现，要获得满足工程规范要求的大比例尺数字线划图成果，由于低空摄影通常采用的是非检校的数码相机，需要对拍摄的像片进行影像畸变差和系统误差改正(预处理)，使之能符合常规摄影测量对数据处理的要求，预处理完成之后有两个关键的处理过程，即空中三角测量和内业高程数据修正。在实验过程中，通过选取不同的像片控制点进行区域网平差，获得符合要求的空三成果，像片控制点的布设方案及空三时的选取方案决定了空中三角测量的平差精度，平差完成之后输出的高精度的立体定向模型是后续立体量测地面点三维坐标的基础;矢量测图完成后，利用外业检查测量点数据对矢量测图成果进行评定，对不满足精度要求的区域进行高程拟合修正，从而获得需要的地形图成果。利用外业检查测量点高程数据对内业矢量测图成果进行修正是工程应用的需要，上述流程的关键是空中三角测量，而影响空中三角测量精度最重要的因素是像片控制点的布设，对于高空摄影测量，像片控制点的布设具有成熟的方案，对于无人机摄影测量，则需要进一步的探讨。
3、 外控点布设方案研究
为了研究像片控制点布设方案，在甘肃电厂项目中采用全野外方法进行了像片控制点测量，在江西变电站项目中根据甘肃电厂项目经验进行了像片控制点布设方案验证。无人机低空数字摄影的像幅小、像片多，像控点布设可采取两种方式：
第一种方式是在飞行后根据影像特征点实地刺点获取点位坐标，在甘肃电厂工程中采取了这种方式布点，由于是首次将无人机数字摄影技术应用于火电厂地形图测量，采取了全野外布点方式，每一像对2~4个像控点。
第二种方式是在飞行前在合适的点位布标，这种方法没有相应的规程规范。在江西变电站工程两个站址测量中对这种布点方式进行了有效尝试，取得了良好的试验效果。飞行后直接在影像上刺得像控点，减少刺点判点误差，适合于自然特征点比较少的工作区域。
甘肃电厂和江西变电站试验项目像控点布设情况见表2 所示。
在甘肃电厂项目外业控制点测量完成后，利用DPGrid 软件进行影像处理和空中三角测量，因为采用全野外方法测量了390 个控制点，在空中三角测量时设计了4 种方案进行比较，以总结像片控制点布设原则，4 种方案分述如下：
方案1 ：全部控制点都作为平高控制点。
方案2 ：区域内四周边点的控制点全部为布设平高控制点，四角控制点布成点组形式，区域内部的控制点都设为检查点，如图2a 所示。
方案3 ：区域内四周边点的控制点全部布设为平高控制点，并在周边布设较为密集的平高控制点，区域中间再加少量平高控制点，中间平高控制点依据地形地貌进行选取，如图2b 所示。
方案4 ：与方案3 类似，区域内四周边点的控制点全部为布设平高控制点，并在周边布设较为密集的平高控制点，但区域中间全部作为检查点，如图2c 所示。
最终获得的空中三角测量控制点和检查点精度如表3 所示。
从表3 可以看出，采用方案2 进行空中三角测量时，精度明显降低，不能满足规范空三测量要求，而方案3 与方案4 虽然精度较方案1 有所下降，但仍然能满足规范的精度要求，而且方案3 与方案4 的精度结果比较接近。在上述比较完成后，我们对周边布点的密度以及测区内控制点布设也进行了选取试验，结果表明周边布点以8 条摄影基线长度为宜，同时测区内部需要数量合适的控制点。根据甘肃电厂项目像片控制点选取试验比较结果，总结出如下两点布点经验：
1)测区四周布置点数要相对密集，测区中间只需布设合适数量的控制点，周边布点其跨度为i=8b(b为摄影基线长度)。
2)各种地形的区域要布设一定数量的控制点，如空地、林地、灌木区、旱地、水田等，控制点应能控制测区地形地貌。
上述布点方案在江西变电站项目中进行了检验，并取得了较好的空中三角测量成果，江西变电站两个站址空中三角测量精度统计如表4 所示。
从上表可以看出，采用上述布点原则进行低空摄影测量像片控制点布设，既减少了外业控制测量的工作量，也能获得满足大比例尺地形图测量规范要求的空中三角测量成果。
4、结 语
无人机低空摄影测量是目前大比例尺地形图测绘发展的一个方向，在火力发电厂、变电站、核电等项目小区域大比例尺地形图测绘项目中，应用无人机低空摄影测量技术是完成电力工程测量任务的有效手段和便捷途径。本文通过甘肃电厂项目和江西变电站项目的生产实验，总结了应用低空摄影测量作业手段进行大比例尺地形图测量的作业流程，并对其中的关键过程像片控制点布设进行了研究，得出了像片控制点布设的一般性原则，为无人机低空摄影测量在工程中的应用提供了有益的参考。但无人机低空摄影测量平台和航摄数码相机众多，在具体的工程实践中还需要考虑不同平台和相机间的差异，通过更多的工程实践总结出更普通性的作业流程和像控点布设方法，以便无人机低空摄影测量这一新兴测绘技术在工程测量中得到更好的推广应用。
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