无人机在海岛1∶500 基础地形图测绘中的应用
摘 要: 随着现代测绘技术的快速发展，无人机航空摄影测量的应用领域不断拓展，将无人机航空摄影测量技术应用于大比例尺地形图测绘，可以全方位提升测量效率。本文结合北麂岛1∶500 基础地形图无人机航测的生产案例，介绍了无人机1∶500 航测成图的关键步骤及控制措施，并通过精度评定，论证了无人机航空摄影测量技术应用于1∶500地形图测绘的适用性和有效性，为采用无人机开展大比例尺地形图测绘项目提供借鉴之用。
关键词: 无人机; 1 ∶ 500 基础地形图测绘; 关键步骤及控制措施; 精度评定
无人机航测技术是继大飞机航测之后发展起来的一项新型航空摄影测量技术。近年来，采用无人机航测技术可实现快速生产制作DOM 及DEM，在应急测绘保障、国土资源监测、重大工程建设等方面也得到了广泛应用，但对于大比例尺数字线划图( DLG) 的生产应用仍处于试验阶段，还没有得到大面积的推广应用。本文结合北麂岛1 ∶ 500基础地形图无人机航测的生产案例，介绍了无人机1 ∶ 500航测成图的关键步骤及控制措施，并通过精度检测与分析，论证了无人机航空摄影测量技术应用于1 ∶ 500地形图测绘的适用性和有效性。
2. 1 仪器及软件
采用仪器包括: 垂直起降固定翼无人机: 大鹏CW-20 ( 飞行总重: 24 kg，任务载荷: 2 kg，巡航速度:25 m/s，续航时间: 4 h，抗风能: 7 级) ; 可量测型航测相机: 飞思iXU-RS1000( 有效像素: 1 亿像素，最高分辨率: 11608 × 8708，画幅: 53.4 mm× 40 mm) 。采用软件包括: 相片编辑软件: CaptureOne，无人机摄影测量数据自动处理系统: GodWork，测图软件: MapMatrix、FeatureOne。
2. 2 作业流程
根据航空摄影测量技术特点与地形图汇编要求，制定作业流程如图1 所示。
图1 作业流程
3. 1 项目概况
本项目位于浙江省瑞安市北麂乡，全乡由16 个岛屿组成，属海岛乡镇。本次主要对北麂本岛、下岙岛、关帝岛3 个有人岛以及附近的岛礁进行1 ∶ 500基础地形图测绘，总面积约6. 2 km2 ，其中陆域面积4.5 km2 ，地形以岛礁为主，建成区仅占15%左右。
鉴于海岛地形地貌的复杂性和特殊性，采用常规测量手段施测难度大，作业效率低，且危险系数高。而无人机航空摄影测量具有机动性强、作业效率高、适应范围广等特点，能有效地解决常规海岛地形测量的不足。本项目采用无人机对测区全范围进行航空摄影并航测成图，考虑到航测成图可能难以满足《浙江省1 ∶ 500、1 ∶ 1 000、1 ∶ 2 000 基础数字地形图测绘规范》中一、二类地物点的精度要求，对建成区进行全野外数字化测图，同时也有利于对无人机航测成图精度符合性进行检验。
3. 2 关键步骤及控制措施
( 1) 航摄数据采集
本项目影像数据采集采用垂直起降固定翼大鹏CW-20 无人机，搭载可量测的飞思iXU-RS1000 相机。设计航高为600 m，基线长度为108 m，航线间距为205 m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为75%，飞行架次1 个，飞行航线22 条，航摄时间为上午8: 43 ～9: 44。考虑到海面反射大，相片容易过曝，在影像采集时，特将相机调成略微欠曝模式，最终于内业进行批量调色后输出，获取影像地面分辨率优于0.05 m的原始影像相片657 张。
( 2) 像控点测设
无人机航摄完成后，结合测区快拼影像数据和POS 数据进行像控点布设方案设计，并对于不同布设方案的精度影响和可操作性进行对比分析，选择确定适合本项目的像控点布设方案。
方案一: 在航向三片重叠和旁向重叠中线附近进行像控点布设，共需布设像控点113 个。由于岛域地理环境等因素影响，大片水域、大片草地、以及悬崖等位置实地无法布设像控点，同时控制点直线布设的方式对于面积较小的附属岛礁难于控制。因此，该像控点布设方案对于本测区来说，其实际可操作性较差，且像控精度也难于得到保证，如图2 所示。
图2 像控点布点方案一
方案二: 在航向与旁向均取重叠中线进行像控点布设，共需布设像控点256 个。该布设方案可解决小岛布设像控数量少和构形呈直线的问题，像控精度也可得到有效保证。但对于无人机已经增加后差分处理模块的前提下，该方案像控点布设数目过多，对于海岛上像控点寻找、外业施测难度大，其实际可操作较差，如图3 所示。
图3 像控点布点方案二
图4 像控点布点方案三( 注: 右上角小岛不在测区范围)
方案三: 根据实际地形情况进行像控点布点，该方案也是本项目最终采用的像控点布设方案，共布设像控点144 个，实测像控点121 个，有效保证了本项目的像控精度，如图4 所示。像控点布设和施测情况如下:
①当大陆不能直接连接构网时，将零散的小岛按照野外布点的方式连接[3] ，单独进行像控布设，使布设的像控点在小岛上能构成大地四边形;
②海岛礁影像包含大面积水域的特殊性，影响影像的匹配精度，为保证后期空三处理的精度，可以适当沿海岛岸线加布控制[6] ，并根据海岛形状，在海岛边缘靠近岛内位置进行布点，避开危险地理环境，同时延长像控点测量时间，减小多路径效应;
③根据像控点整体情况，在像控未覆盖的区域增设像控点，如在海岛村落、灯塔、碑石等位置增设像控点;
④在godwork 软件中，导入像控点点号与假定的位置坐标，根据影像分布将选好的控制点进行刺点，调整过于边缘或涉及影像数目过少的像控点的位置;
⑤像控点外业测量采用RTK 测量方式，施测方法和技术要求按照图根控制测量的规定进行，像控点平面和高程中误差均优于±5 cm;
⑥由于外业像控点采集时存在地形或者相片角度问题，导致内业所选的点位仍有部分不能实地布设或施测，本次实测像控点121 个，且全部为平高点，满足空三加密的需要。
( 3) 空三加密
空中三角测量是航空摄影测量的技术核心，决定了模型精度和测图精度。在本项目空三加密过程中，遇到以下一些问题并做了相应处理:
①通过对快拼影像的观察，除正常的错位外，由于部分照片水域面积过大，浪花、水纹、水面高度对构网产生影响，岛屿的快拼成果还存在岛屿边缘拼接错乱的现象。特在后续空三工程进行前，将海水面占相片面积50%以上的相片舍去。
②由于像控点刺点时受相片角度限制，会发生平面位置偏差甚至在高程上产生影响。采取在一轮刺点完成后，再进行立体刺点，对点位进行调整，从而尽可能保证像控点点位正确。
③对于点位难以辨认的情况，采取先闲置，待大部分控制点完成后，进行控制网平差，再对改点进行点位预测，结合外业量测像控所采集的照片进行点位确认，完成最终刺点。
④存在高出地面20 cm的形似里程碑的地物，在平差过程中出现该地物上采集的像控点在z 值上始终存在约20 cm的偏差。经反复对照相片以及与外业人员确认后，判定该地物是由于断面粗糙，颜色与地面相近等原因，在空三计算时被当作与地面等高，故将该点作舍弃处理。
本次在影像处理过程中，采用GodWork 空三软件并严格基于相机和镜头几何模型，并对像控点进行精度吻合性检验和分析利用，最终利用像控点116 个，舍弃5 个，空三精度为: -0.127 m ≤ VX ≤ 0.122 m，-0.081 m≤VY≤0.140 m，-0.180 m≤VH≤0.149 m，平面中误差±0.048 m，高程中误差为±0.053 m，空三加密精度较优，满足测图的要求。
( 4) 立体测图
人工采集产生的误差是误差中一个比较重要的来源。地物的高度、遮挡等都会对矢量采集产生影响。因此，提高作业员作业精度和操作熟练程度可提升矢量采集成果的精度; 同时，制作相应的高精度正射影像在编图过程中有一定的辅助作用。此外，考虑海面耀斑、沿岸浪花对内业立体测图的影响，本项目实施过程中着重做好以下两点工作:
①选择合适的航摄时机，在低潮位时间段作业，获得的影像最大限度地覆盖海岸的滩涂范围，同时沿海岸线间相邻影像的曝光时差尽量控制较短时间内，避免瞬时水崖线的互差较大;
②海岸线采集时综合参考水崖线痕迹、水边线形态和地貌特征，最大限度地保持海岸线的逼真性，当采集的海岸线与地形要素发生矛盾时，在高程限差范围内适当调整海岸线的平面位置。
本次内业测图采用航天远景MapMatrix 软件，将空三加密处理完成后的影像输出，导入到MapMatrix进行核线采样，然后在“特征采集处理专家”Feature-One 中进行数字线划图采集。采用航天远景MapMatrix软件的优点是能够根据外方位元素和影像重叠度自动组合立体像对，生成最佳的交会角，且测图模式方便，有效提高了测图的精度和效率。
( 5) 外业调绘
立体测图形成了初步的地形图成果后，通过外业调绘，对地形图进行全面核查和调绘，主要包括地物修补测、屋檐改正、电杆连线、属性调查及地形图表示综合取舍等内容，确保地形图表示的内容完整正确。
( 6) 成果整合
结合外业调绘资料对进行内业测图成果编辑处理，同时对采用数字测图方法采集的建成区一、二类地物点及其他补测数据进行整合，最终获得测区范围内完整的1 ∶ 500基础地形图成果。
采用航测成图的数据和外业实测数据进行比较分析，主要从平面精度和高程精度两个方面进行评定。在平面精度方面选取房屋、电力线、道路边线、坎、围墙等地物的拐角点进行对比; 在高程精度方面选取居民区、道路和田块等平坦地区的高程注记点及等高线插求点进行比对。
4. 1 1 ∶500 地形图测量的精度要求
依据《浙江省1 ∶ 500、1 ∶ 1 000、1 ∶ 2 000 基础数字地形图测绘规范》( DB33 /T552-2014) 中地形图精度要求，平面和高程测量精度要求如表1、表2 所示。
4. 2 检测结果
4. 3 成果精度符合性分析
( 1) 本项目采用无人机1 ∶ 500 航测成图，整体精度均匀且良好，尤其是高程精度相对于传统航测方法有明显的提高。平面和高程精度均可满足《城市测量规范》规定的要求，但建成区屋檐改正工作量及难度较大，生产效率较低。
( 2) 本项目采用无人机1 ∶ 500 航测成图，对于建成区一、二类地物点，其平面精度仍难于满足《浙江省1 ∶ 500、1 ∶ 1 000、1 ∶ 2 000基础数字地形图测绘规范》规定的要求，屋檐改正是其误差产生的主要因素之一。
( 3) 本项目最终采用综合成图方法，即建成区一、二类地物点采用野外数字化成图，其他地形地貌采用无人机1 ∶ 500航测成图，项目成果经浙江省测绘质量监督检验站最终验收，质量优良。
无人机航摄系统软硬件技术难点不断突破，已经达到实用化阶段，越来越成为现代数据采集的主要手段。将无人机航空摄影测量技术应用于大比例尺地形图测绘，具有机动性强、作业效率高、适应范围广等特点，可快速获取3D 数字测绘成果，将是未来新型基础测绘体系服务的发展趋势。
本文采用固定翼无人机搭载可量测的相机进行低空航测成图，通过充分的准备工作，对航空摄影、像控测量、空三加密和内业测图等关键步骤进行质量控制，最终通过外业调绘和补测完成测区1 ∶ 500地形图测绘工作，有效提高了工作效率。同时，通过质量检验和分析，论证了无人机航空摄影测量技术应用于1 ∶ 500地形图测绘的适用性和有效性。
来源：《城市勘测》2018年2月
作者：黄小明 江玉蓉
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