基于无人机影像的1:10000地形图测制方法探讨
来源：《测绘》2017年2月
作者：王睿， 梅奎星，唐橙， 张泊玉
摘要：无人机低空摄影是一种新的测绘航空摄影技术。本文探讨了基于无人机影像制作1:10000地形图的方法，并结合无人机影像特点，总结了作业中的关键步骤，提出了提高成果质量的经验和技巧。
关键词：无人机影像;地形图测制;DEM制作;正射影像制作
1 、引言
无人机搭载的多为非量测型相机， 获取的影像存在像幅小、数量多、倾角大和重叠度大等问题，并且飞行中受气流和风力的干扰，姿态角会有偏差，如果采用常规航摄影像的处理方法[1]，无法满足地形图测制的需要。本文结合工作实际，介绍了处理无人机影像的方法、流程、关键技术，并对提高数据成果精度的方法和技巧进行了总结，供大家参考。
2、 技术流程
无人机影像与普通航摄影像有很大区别， 所以常规航摄影像的处理方法无法达到使用的要求。 本文结合实际任务，设计了基于无人机影像制作1:10000地形图的技术流程，如图 1 所示。
2 . 1无人机影像预处理
首先要对无人机影像进行色彩的修正，飞行中受相机倾角和光线的影像，同航带之间的影像色差较小，相邻航带的影像色差较大，会影响后期的立体测图，建议使用 Photoshop软件对影像色差进行调整，保持影像色调统一;然后对无人机相邻相片进行 “ 旋转角度”处理，这是由于飞行中为节省燃料和提高工作效率，飞行路线为 “ S ”型，相邻航带之间飞行方向相反，需要对影像进行角度的旋转，建立正确的航线列表，保证相邻航带之间影像重叠度，确保能够满足后期地形图测制的需要。
2 . 2空中三角测量
使用 Geo Way软件建立测区文件， 经过引入影像、自动内定向、自动相对定向、建立模型、剔除残差等 步骤，最后采用有控制点的区域网平差方式，生成加密点文件并输出空三精度报告。空三加密结束后，要对空三成果进行检测，选择控制点位检查点，在立体下进行测量，保证误差在限差以内。
2 . 3地貌采集
主要在立体环境下，采集等高线、高程点和地形地貌。采集时建议按由低向高的顺序采集，先采集计曲线，再采集首曲线，最后采集高程点。采集等高线时，要注意与河流的关系，曲线保证套合，能够真实反映地表形态。在山地的地貌采集中，由于悬崖峭壁处有阴影， 影像较暗， 建议采集时及时调整影像亮度，能够提高采集质量。
2 . 4地物采集
点状地物采集地物的根部， 不依比例尺表示的线状地物采集地物的中心线， 依比例尺表示的地物采集地物的边线和轮廓， 面状表示的地物采集时要注意闭合。在立体环境下，通过室内判绘技术，参考野外调绘成果， 采集居民地、 水系、交通和植被等相关要素，保证地物的位置和属性正确。
2 . 5 DEM制作
通过等高线自动生成DEM， 并对DEM进行人工编辑，最后拼接DEM，输出成果。由于DEM是通过等高线生成，建议在采集等高线时，要采集山脊、山谷的特征线，较大的湖泊或较长的河流，要沿着水的边线采集，保证DEM不落水，以进一步提高正射影像的精度。
2 . 6正射影像制作
首先利用DEM对单张影像逐一进行几何纠正，生成单张正射影像， 然后将所有单张正射影像按实际位置信息进行拼接，编辑拼接线，匀光、匀色，最后按标准图幅进行裁切输出。编辑拼接线的过程中，要注意尽量沿着地物界线明显的地方或者地物纹理色彩变化不大的地方，不要造成接边地物的拉伸、变形或扭曲，不要有明显的人为接边痕迹。
2 . 7入库编辑
将矢量地貌数据和地物数据导入 MapStar软件，将编码一一与软件对应，按入库标准处理，并参考调绘成果、地理名称资料和水文资料，对地物挂接指针和属性录入，最后进行数据格式的检查。
2 . 8 出版编辑
在 MapStar软件下， 将入库数据按照出版的要求进行处理，正确处理要素之间的关系，要素之间关系要合理，图面要美观，最后生成EPS数据上交成果。
3、 作业中的注意事项
由于无人机影像与航摄、卫星影像相比，具有较大的差异，所以在作业中要注意以下事项。
3 . 1影像预处理
在作业之前，要对无人机影像进行预处理。由于无人机摄影的相机不是量测相机，单张影像的边缘区域出现光学畸变，地物在影像上的位置与真实位置会出现偏差，需要进行影像的光学畸变修正[2]。由于无人机在飞行中为节省燃料和提高工作效率，呈 “ S ”路线飞行，相邻航线的影像之间角度相差 180°，在空中三角测量时，要对影像进行角度的旋转，保证影像之间的关系正确。
3 . 2空中三角测量
无人机影像的空三加密与普通航摄影像的空三加密方法不同。由于无人机影像像幅小、重叠区域大[3]、 相机倾角大等特点，常规的空三加密方式不仅要耗费大量的劳动力，而且质量不高，影响后期的DEM制作和立体测图精度。可先采用区域网自由网平差的方法，剔除误差较大的错误点，然后再转刺野外控制点，最后进行有控制点的区域网平差，这种方法可最大限度减少相机倾角对空三加密影响， 保证空中三角测量工作的顺利进行。
3 . 3等高线自动生成DEM
无人机影像制作DEM主要有两种方法： 一种是根据空三加密成果，通过影像匹配自动生成DEM，另一种方法是通过采集好的等高线自动生成DEM。由于等高线是经过人工采集，并且为通过检查验收的成果，精度高、质量好，可以减少后期DEM编辑的工作量，建议使用等高线自动生成DEM。
3 . 4正射影像 ( DOM )制作
由于无人机搭载的相机属于非量测相机， 影像会产生光学畸变，并且飞行姿态不稳定，造成相邻航线间影像上的地物位置偏差、影像色调不一致[4]，正射影像拼接工作量较大。可先利用 Geo Way软件的自动拼接功能，生成拼接线，然后再对拼接线进行人工编辑，能够较大地提高工作效率。
3 . 5立体测图
受无人机影像像幅小、畸变大、遮挡较重、影像晃动和影像模糊等因素干扰，特征点匹配不准，导致立体模型的立体感较弱，严重制约地貌采集和地物采集的精度。建议在立体采集前，要对作业人员进行无人机影像立体采集方面的培训，合格者才能参与任务;立体采集中，影像模糊或者模型立体感不强，通过缩小模型放大比例的方法来增强模型的立体感和清晰度，保证采集精度;因遮挡原因影响立体测图的情况，可打开相邻的立体模型进行采集，减少对采集精度的影响。
3 . 6入库编辑和出版编辑
无人机影像入库编辑和 出版编辑与普通航摄影像的方法大致相同。值得注意的是：入库数据的要素属性录入需要参考野外调绘成果和测区新一代1:5万地形图入库数据，若二者出现矛盾，以野外调绘成果为准;出版编辑是根据技术要求对入库数据进行处理，正确处理好要素之间的出版关系，对图廓信息进行整饰，输出EPS打印成果。
4 、提高成果质量的方法
4 . 1提高影像航摄质量
原始无人机影像是提高成果质量的根本。 在航影过程中，无人机飞行高度低，受天气干扰因素较大，山区和丘陵地区的航摄时要注意云雾的影响， 城市地区航摄时要注意雾霾天气，并且气流的变化和风力对航摄质量的影响较大，尽量选择晴朗、无风的天气航摄，获取高质量的无人机影像。
4 . 2影像检查分析
获取原始无人机影像后， 首先要对影像进行检查分析。由于无人机在航摄中容易受到气流和风力的影响，飞行姿态和航线会出现误差，影像的旋角和倾角较大， 造成影像之间的重叠度大于 90 %或者小于50 %，影响空三加密的精度和作业效率。空三加密前，要对重叠度大于 90 %的影像进行抽片，重叠度小于 50 %的影像进行处理或者补飞，保证满足作业需要。
4 . 3提高空三加密精度
空中三角测量是无人机影像处理的核心技术， 也是最具挑战性的工作。由于无人机航摄路线短、相机倾角较大、稳定性较差等特点，软件 自动匹配的同名点较少。为保证空三加密的精度，在选点时，每个点位选取的连接点要保证 2个以上， 提高区域网整体平差质量;为减小光学畸变对影像的影响，选点时尽量避免在边缘地带;在连接点自动提取困难的情况下，通过人工量测的方式加强连接度， 提高模型建转点的成功率和精度 。
4 . 4提高正射影像质量
无人机影像的像幅小、立体模型多等特点，决定了正射影像在拼接和匀色方面的工作量较大， 成果质量不易控制。建议在影像的几何纠正之前，对原始影像进行预处理，保证影像之间色调一致，如图2 、图3所示。由于DEM是通过等高线自动生成的，而等高线采集过程中遇到桥梁、堤坝等高差较大的人工地物，是紧贴地表采集的，这就造成了影像通过DEM的几何纠正后，桥梁和堤坝容易变形或者扭曲，解决的办法是通过在原始影像上裁切变形区域部分， 粘贴到正射影像的同一位置， 保证地物纹理接边、 色调一致。
4 . 5立体采集技巧
受无人机航摄倾角、飞行姿态不稳定的影响，立体模型的立体感较弱，模型的边缘地带不稳定，造成地物在接边时差值较大。为提高立体测图质量，优先采集 目标清晰的线状地物，然后采集面状地物，最后按区域采集独立地物， 这种方法可以减少立体模型模糊的影响，防止地物丢漏。为保证接边精度，采集过程中外扩100米，相邻图幅协调接边，避免接边时数据错误的现象，进一步提高立体采集质量。
4 . 6编写相关外部命令
在 G e o W a y软件下立体采集的矢量数据导入MapStar软件中，符号的编码是不对应的，如果人工逐一修改，工作量较大，建议通过编写MapStar软件的外部命令，通过执行外部命令自动修改编码 ( 如图4所示) ，可以节省大量工作时间。在出版编辑过程中，图层之间、地物之间的压盖关系复杂，人工逐个符号去处理压盖关系，工作繁琐且易错误，通过总结压盖关系的特点和规律，并编写图层压盖排序和地物压盖块的外部命令，能够快速准确解决压盖问题，大大提高工作效率[5]。
5、 结语
基于无人机平台的低空航摄技术能够迅速获取高分辨率影像，在城市建设、紧急救灾和国情监测等方面发挥了巨大作用。 无人机航摄技术具有飞行高度低、起降方便、低成本、受云雾干扰小等特点，应对突发紧急测绘任务的情况，无人机航摄技术比卫星遥感影像和常规航空摄影都具有很大的优势。 相信随着无人机技术和数码相机的飞速发展，二者相互促进，会更加充分发挥无人机航摄技术的优势， 从而更好地完成大比例尺地形图测绘[6]。
参考文献
[ 1 ]胡开全.固定翼无人机低空遥感系统在山地区域影像获取研究E J ] .北京测绘，2 0 1 1 ， ( 3 )：3 5 — 3 7 .
[ 2 ]周晓敏.低空无人机影像处理技术及方法探讨[ J ] .测绘与空间地理信息，2 0 1 2 ， ( 2 )：1 8 2 - 1 8 4 .
[ 3 ]于广瑞.基于测绘型无人机航线优化设计应用研究 [ J ] .北京测绘，2 0 1 5 ， ( 4 )，4 6 — 4 8 .
[ 4 ]孙浩.基于P i x e l 6 r i d系统的无人机影像空三加密及影像 图制作 E J ] .测绘与空间地理信息，2012，( 8 )，203 —2 04.
[ 5 ]宋亮.无人机航测技术在农村地籍调查中的应用[ J ] .北京测绘，2 0 1 4 ， ( 4 )：9 6 — 9 8 .
[ 6 ]马刚.u x 5 无人机不同航高的精度分析 [ J ] .北京测绘，2 0 1 5 ， ( 3) ：1 8 - 2 0 .
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