1:500地形图无人机航测技术研究
摘要: 无人机低空航测技术发展越来越迅速，已经成功应用于各行各业。本文设计了无人机航测系统在1 ∶ 500 地形测量中的技术流程，结合龙岩市的实际项目进行外业生产，并进行精度检查。将此方法应用在丘陵地区，不但在精度上满足地形图要求，而且提升了工作效率，缩短了测绘项目周期，为1 ∶ 500 地形图测图项目提供了新的解决方案。
关键词: 无人机; 传统测绘; 精度
在1 ∶ 500 地形图测绘中，采用数字化测图的作业方式更能保证地形图地物的精度，但它需要控制网布设、逐个地物测绘、后期编绘等大量工作，整个作业周期很长。由于无人机、定位技术的快速发展，用户对地形图测绘的周期要求更短，测绘单位需要改变传统的作业模式，提升效率，缩短项目周期。无人机航测技术具有快速、便捷、准确等特点，但考虑无人机及相机等硬件因素，大多认为在内业处理及外业航摄上均需进一步的提升才能完全满足1 ∶ 500的测图精度要求[1-6]。
本文通过采用无人机航测和RTK-全站仪传统测绘两种方式对龙岩的一个项目进行测绘，并对作业成果进行对比分析，测量成果满足测量精度要求，有效地提高了生产效率，缩短了作业周期。
无人机低空航测技术主要包括准备工作、外业航摄及像控点测量、内业成图和外业调绘五个阶段，具体如图1 所示。
图1 无人机航测技术流程图
3. 1 项目概述
本次测试选取包括了房屋、道路、水田、河流、山体等地物类型多的项目作为测试范围，面积为3. 22 km2，如图2 所示。采用KC1600 固定翼无人机，搭载已做过检校的索尼a7r 相机进行航摄。相机的主要参数: CCD大小: 35. 9 mm×24 mm，固定焦距: 36. 348 mm; 影像尺寸: 7 360×4 912; 像元大小: 4. 8 μm。航飞的主要参数:①相对航高: 255 m;②航向重叠度: 75%;③旁向重叠度:65%;④地面分辨率为3 cm。
图2 项目区范围图
3. 2 控制资料
3. 2. 1 像控点
在无人机航测中，像控点布设均需考虑两个条件:一是足够数量合理分布的像控点; 二是像控点的点位明确。目前无人航测软件主要有Inpho、Pix4D 和航天远景Mapmatrix 等，本实验采用Inpho 进行空三加密结合Mapmatrix 进行航测成图。无人机航摄与有人机航摄不同，其飞行高度低，速度慢，易受大气升力、风力的影响，造成重叠度不规则，因此对像控点布设及量测提出以下要求:
( 1) 像控点布设
在空三加密中，像控点分为高程点( VE) 、平面点( HO) 、平高点( HV) 、高程检查点( CVE) 等。本试验主要以平高点为主，部分像控点作为检查点，它的布设要遵循以下的准则: ①应布设在航向及旁向6 片或5片重叠范围内，使布设的像控点尽量均匀; ②应布设在便于查找识别的位置; ③尽量布设在地表，如道路交汇处; ④颜色分界清楚区域，便于像控点精准刺点; ⑤根据已有影像( 例如谷歌影像) 判断是否存在不好布设控点的地带，如一片森林或一片稻田等，针对这种地带，在无人机起飞之前应洒石灰或其他建立可识别的标志性形状作为像控点。本次航飞共布设84 个平高点，如图3 所示。
图3 像控点分布图
( 2) 像控点测点及刺点
像控点的坐标是否精准影响整个测区的绝对定向的精度，因而对像控点的测量必须做到圆水泡居中，多次测量平差取值。本次航飞的像控点量测采用RTK量测10 次后进行平差，得到较为精准的像控点坐标。
选用的像片控制点，其目标影像应清晰、易于辨别，特别是测区边缘的像控点一定要清晰明了无异议，点之记说明清楚无误，如房角点，需说明是东南角还是西北角的房角点。
3. 2. 2 空三加密
空三加密是在已知少量地面控制点的基础上，通过量测重叠像片的同名像点坐标，依据摄影测量原理，运用解析方法求解像片外方位元素及加密点坐标的工作。本次试验区采用Inpho 7. 1 做空三加密，通过将影像POS ( Position and Orientation System，定位定姿系统) 数据的坐标系由大地坐标转为直角坐标，影像的畸变改正、构建影像金字塔模型、同名点提取、连接航带、像控点刺点、平差等多个阶段完成空三加密，本次测区的空三总共采用了82 个平高点，14 个检查点，检查点的精度如图4 所示。
图4 空三加密检查点精度记录表
3. 3 DLG 生产
3. 3. 1 立体测图
采用航天远景Mapmatrix4. 2 构建立体像对，进行内业的立体采编。该软件可不需要提前采集核线，可以采用实时核线进行测图; 能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，提高测图的高程精度; 也支持自动/手动切换立体模型，实现无缝连接，降低接边工作量和立体模型选择的工作量，提高作业效率[7]。
3. 3. 2 外业调绘
立体测图形成了初步DLG 成果后，通过外业调绘，复核地物的完整性及保证成图的精度。外业调绘的工作包括屋檐更正、电杆连线、地物核实、道路调绘、水系调绘等内容[8]。在1 ∶ 500无人机航测中，最困难的在于屋檐的外业更正。将一些经验总结为以下几点:
( 1) 注记: 外业调绘对一幢房子往往标记很多字样，如尺寸、注记、层数等，建议以分色来表述，便于内业改图识读，房屋结构尽采用拼音首字母来表示，简化外业地图的注释。
( 2) 屋檐宽度的量注: ①实地量取房宽( 长) 反求屋檐，若单靠目估或直觉来评读房屋的宽度往往是难以保证精度的，一定要量取房子真实的长宽，当无法量取时，可借助围墙( 或无檐房) 与其的直线共线等关系确定; ②滴水线法，关键在于找准地面上滴水痕迹，量取滴水痕迹至墙基的距离为屋檐宽度，若有排水孔、排水沟时不宜采用此法; ③比较法，要严格判断相邻房屋、同一幢房屋相关的边是否存在平行或同一个直线上等几何关系，此法主要根据某一相邻房屋或同一幢房屋的某些边无屋檐时可直接改正; ④目估法( 吊垂线法) ，将垂线切准至屋檐边线后，量取垂线至墙基的距离，此法关键在于目测垂球线是否切准屋檐，在实际作业过程中，尽量不采用此法丈量屋檐。
( 3) 特殊情况的屋檐处理: 如实地两房屋原本分开，而采集时却靠在一起，应注意两房屋的关系，要量取房屋的边长来定位，并注明夹巷的宽度等。又如有女儿墙的平顶房屋，外面又有屋檐及屋檐是斜向的房屋，一定要量取房屋的长宽或幢距进行改正等等。
采用航测外业调绘改正的数据和RTK 实测数据进行对比分析，主要从平面精度和高程精度两个方面进行对比。在平面精度方面选取房屋转角点、电杆点、田埂、坎和围墙等地物的转角点进行对比，在高程精度方面选取居民区高程点、道路高程点和耕地高程点进行对比，结果如表1 所示。将在RTK-全站仪传统测绘和无人机航测投入的人员及阶段周期分别作一个统计表，如表2 所示。
综上分析，田埂、道路、坎等地物的平面精度较好，房屋精度较差; 实验中发现，屋檐更正大的平面精度更低。因此，无人机航测应严格按照《中华人民共和国行业标准( CJJ /T 8-2011) : 城市测量规范》中1 ∶ 500的技术要求进行高质量影像获取、像控点布设、空三加密。从DLG 成果上分析，平面精度在一定地物上是可以达到1 ∶ 500的地形图测绘标准; 高程精度相对于平面精度略低，当对高程精度要求高时，应采用RTK-全站仪传统测量方式测量。从表2 可以看出，采用无人机航测之后，减少了人员的投入，缩短了项目周期，节约了工程测绘项目的成本。
本文采用固定翼无人机进行低空摄影，通过充分的准备工作，进行外业的航空摄影、像控点测量以及内业测图，最终通过外业调绘阶段形成试验区1 ∶ 500地形图。通过将此地形图与同时进行的RTK-全站仪传统测绘数据成果进行对比，分析总结出不同类别地物的误差情况，而且在项目的投入上得到了很大的改善。对于电杆、道路、田埂、陡坎、河流等地物可以采用无人机航测进行成图，对于复杂的房屋，如成群的老建筑及相关的高程点，应采用全站仪测量进行补充修测，当对高程精度要求高时，应采用RTK-全站仪传统方式测量，以保证精度要求，而且也能缩短项目周期。
来源：《城市勘测》
—文章转自联合勘测网
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