无人机航摄技术在大比例尺测图中的应用研究
来源：《测绘与空间地理信息》2016年第2期
作者：天津海事测绘中心吕立蕾
摘要：以无人机航摄技术在大比例尺(1∶1 000、1∶500)地形图测绘中的应用为研究目的，采用固定翼无人机平台，搭载非量测型数码相机，于河北某矿区进行航摄大比例尺地形图制作实验，通过外业实测点位数据对测图高程及平面精度进行评估。实验结果表明：通过严控误差影响因素无人机航摄技术可以满足1∶1 000 比例尺测图精度要求，1∶500 比例尺测图精度无法满足。最后，基于精度评定数据对误差产生的原因进行了深入分析与探讨，为无人机航摄技术测绘大比例尺地形图应用的可行性及可靠性提供了经验。
关键词：无人机航空摄影测量;固定翼;大比例尺;DLG
0 引 言
大比例尺地形图由于其位置精度高、地形表示详尽，是规划、管理及建设过程中的基础资料。传统大比例尺测绘方式因地物测绘精细程度高存在人力、物力投入大，效率低，成本高等问题，无法满足项目规划设计的整体性及时效性。
随着无人机航空摄影在测绘行业的推广和应用，利用无人机作为遥感平台搭载非量测相机进行1∶2 000 比例尺成图研究已逐渐得到推广应用 ，而高精度大比例尺(1∶1 000、1∶500)地形图测绘由于无人机所获取的影像存在更大、更复杂的几何变形问题成为亟待研究的重点和难点。本文在无人机航摄技术1∶2 000 地形图成图研究的基础上，通过优化实验条件将影响因素进行严格控制，以居民矿区为实验区域，对基于无人机航空影像进行大比例尺测图生产的关键技术及误差产生原因进行深入研究与分析。
1 无人机航摄系统构成
低空无人机UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 航摄系统 是集无人驾驶飞行器、遥感及GPS 导航定位等技术于一体建立起来的一种高机动性、低成本和小型化、专用化的遥感系统。
无人机航测系统主要包括无人机飞行平台、飞行控制系统和非量测型面阵CCD 数码相机，以及地面站、远程无线通信装置、地面数据处理系统等辅助设施。
2 无人机航摄技术大比例尺测图实验
为保证实验精度客观真实，避免仪器误差、人为误差、气候等外界因素影响产生的误差导致的精度损失，笔者选取河北某居民矿区为实验区域，该地区地势平坦，海拔高度约10 m。实验过程中采取提高传感器配置、严控航拍外界环境以提高原始影像获取质量，利用四角布设点组、加密高程控制点布设密度提高像控布设精度及人工干预同名点匹配提高平差解算精度等措施以减小各项误差影响。实验主要技术流程如图1 所示。
图1 实验技术流程
2.1 影像数据获取
本研究飞行平台采用固定翼无人机系统，影像航向重叠度为70%，旁向重叠度为35% 。如图2 所示，1∶1 000、1∶500 两组实验各进行一架次飞行，影像覆盖区域面积分别为10 km2、9km2 ，从中挑选姿态角度符合要求且覆盖地面信息丰富的两组影像参与后期平差处理(如图2 中阴影部分所示)。
图2 实验航飞及后处理区域
为减小外部环境对影像拍摄影响，影像的获取采取多次航拍取最优的方式，通过对不同时相影像进行分析，最终选取天气晴朗、无风，影像质量清晰、颜色饱满，旋偏角、姿态角均满足规范要求像片进行实验。
2.2 像控点布设与施测
46 32290 46 14940 0 0 4615 0 0:00:06 0:00:03 0:00:03 4615对区域性实验测区，控制点布设宜采用区域网布点方案 。为有效地提高无人机航摄技术测图精度，提出控制网四角处采用点组布设方案及加密高程控制点密度(如图3 所示，圆形点位为1∶1 000、1∶500 航空摄影测量规范要求标准点位，矩形点位为高程控制加密点)两项技术措施，有效地提高了控制网解算的可靠性及精确性。平差结果表明，较标准点位平差计算结果1∶1 000 测区空中三角测量整体精度得到了优化，1 ∶500 精度变化不明显。
图3 像控点布设示意图
控制点测量采用河北省已建CORS 系统，首级控制点为航摄区已有GPS E 级点位，标准点位按内业布设要求每个点位独立观测3 次，外业加密点选取硬质路面、学校操场等高程精度可靠性高的区域随机采取，按碎部测量要求进行。高程控制增强前后基本定向点残差精度对比如图4 所示。
图4 1∶1 000 高程增强前后精度对比图
2.3 数据后处理
将测区影像进行畸变纠正，协同相应相机参数、POS 数据及像控点成果，利用影像同名点自动相关技术自动提取同名地物点，本实验中为保证模型的连接精度，采用SIFT 特征匹配算法， 在影像模糊、比例尺变化差异较大处通过人工干预增加连接点个数以改善模型连接差精度。在自由网平差基础上引入外业施测像控点进行约束平差，并对公共像控点和检查点进行误差统计。1∶500、1∶1 000两测区均采用区域整体平差方案，以便加密平差更合理，成果精度更高。
由表1 可知，1∶1 000 空中三角测量基本定向点与检查点中误差均满足精度要求;1∶500 定向点平面与检查点中误差超限。
表1 1∶1 000、1∶500 空中三角测量精度表
3 无人机航摄系统大比例尺成图精度分析
3.1 精度评度
精度评定包含地理精度评定和数学精度评定两方面。地理精度评定采取外业巡视的方法对图面地理要素的正确性及数据完整性、综合取舍的合理性、接边质量等进行检查。数学精度评定包括平面位置评定和高程评定，主要采用GPS 快速静态的方式测得， 每个点位观测两个时段，观测时间为5 s。外业实测点位对比图上坐标，计算较差，利用点位中误差公式算出各个检查点的中误差m，其计算结果见表2、表3。
本实验中外业检查点位选取以实验区标准图幅为单位，每图幅选取40 个样本数据，为减少人为误差，点位选取以水泥路拐角、雨水井盖等位置清晰、高程稳定的特征地物为主。
表2 1∶1 000 比例尺精度统计表
表3 1∶500 比例尺平面精度统计表
3.2 大比例尺成图精度误差分析
根据枟1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形图航空摄影测量数字化测图规范枠要求(等高距1 m)，1∶1 000 比例尺平面中误差<0.6 m，高程中误差<1/3 m，由上表3、表4 可知，1∶1 000比例尺实验条件下地形、地物的平高精度及接边精均度符合规范及技术设计书规定。1∶500 比例尺实验平面中误差>0.3 m，高程中误差>1/3 ×0.5 =0.17 m，因此，本实验条件下无法达到1∶500 规范要求精度。
4 结束语
在无人机航摄系统1∶2 000 管道建设地形图制作深入研究的基础上，采取严控影像质量、提高传感器配置及加密高程控制点等技术措施进一步优化实验设计，对工程规划建设中应用广泛的1∶1 000、1∶500 两种比例开展探索实验并对精度误差原因进行了深入分析，为无人机航空摄影测量技术测绘大比例尺地形图应用的可行性及可靠性提供了经验。实验结果分析表明，无人机航摄系统可以云下低空飞行，具有机动、灵活等特点，能够获取卫星和有人飞机无法得到的高分辨率影像数据供大比例尺地形图制作。但因无人机航摄系统自身软硬件缺陷，不可避免地产生了基高比小、高程精度低的问题，在严格控制实验条件情况下，可以满足1∶1 000 地形图测图的平面精度要求，高程精度通过增强高程控制可以满足规范要求。而现有实验条件下1∶500 高程平面精度均无法满足规范要求。
在今后的实验及应用中将从软硬件方面继续探索并研究精度提高的措施，如采取宽像对飞行模式、增大相机CCD 靶面等办法来增大立体相对像幅覆盖，提高软件像点匹配精度等以提高平面、高程精度。
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