大比例尺地形图测绘航摄制作与内业质量控制研究
摘 要：无人机的机动灵活性强，能够快速获取地面数据，是获取空间地理信息数据的有效手段，在许多行业得到广泛的应用。文章基于多旋翼无人机航摄系统的测量平台，通过数据采集和分析，并调用EPS地理信息工作站中的地形测量模块进行地形图的采集制作，阐述了地形图的制作流程、绘图技巧及其质量控制方法，对外业GPS实测数据与无人机制作的数据的精度进行了对比和分析。结果表明：基于多旋翼无人机平台的地形图采集制作，加快了内外业数据成图的一体化作业流程，为大比例尺地形图的测绘提供了新的手段;通过内业的质量控制手段和外业调绘可以有效地保证线划图的质量，改进了传统的作业方式，提高了工作效率。
关键词：多旋翼无人机;地形图;EPS;质量控制
地形图测绘是测绘工程建设中的一项重要工作[1]。传统大比例尺地形图的测绘方式由于所需要的步骤繁杂，受条件限制颇多，存在人力和物力投入大、项目周期长、成本耗费高等问题，使得工作效率低下，难以满足测绘工程项目建设过程中所要求的整体性及时效性。随着无人机技术的快速发展，无人机测量平台凭借其响应迅速、灵活性强、可快速获取地面数据的突出优势，大大地提高了工作效率，逐渐在测绘工程领域得到广泛的应用[2-6]。随着城市的不断更新与城市规模的扩大，1：500大比例尺地形图由于其位置要求精度较高且地形地物表示详尽，已广泛应用到城市规划、建设与管理等各项工作中，是规划、管理及建设过程中的基础资料。所以如何快速高效地生产大比例尺地形图，为城市的规划管理工作提供详实的基础资料，是当今亟需解决的问题[7-10]。
无人机的兴起为城市基础资料的获取提供了新的手段[11]。邓学锋等通过以无人机作为低空遥感平台，自主研制了一种三轴稳定云台装置，使无人机获得的影像能够满足大比例尺地形图测绘的规范要求[12];谢建春等通过在外业采用实时动态差分等技术实现了利用低空无人机航摄系统制作1：500比例尺的DOM、DEM[13];林蔚凯介绍了无人机航测系统在丘陵地区测绘地形图的应用[14];张久龙等以固定翼无人机航摄平台为基础，通过实地采集的检查点与空三加密结果的比较，分析了无人机航测系统在农村地籍测量中应用的可行性[15];李津岭等以实际工作为依据，介绍了1：10000比例尺地形图航摄的内业质量控制方法[16]。在1：500大比例尺地形图航测的内业质量控制方面，国内学者少有具体介绍，文章以多旋翼无人机航摄平台为基础，通过实地的飞行数据采集，使用地理信息工作站EPS的地形测量模块进行数字线划图的采集及制作，对内业制作过程中如何保证规范化数据采集、控制成图精度，以及有效地进行质量控制等做出了详细阐述，并通过实际生产成果数据进行精度评价：测量成果满足测量精度要求，使用无人机航测技术可有效地提高生产效率，缩短作业周期，从而为地形图快速进行生产与更新提供技术支持。
1.1 测区概况
研究区选取面积约为1.3km2 的范围，如图1所示。研究区内包括房屋、道路、耕地、草地、林地等地物地貌对象。
1.2 飞行平台选择
多旋翼无人机相对于固定翼无人机来讲，因其自身重量轻、体积小，具有很强的机动性和适应性，且操控简便，不需要跑道便可垂直起降，适合多平台、多空间使用[10]。
图1 研究区概况图
飞行平台采用大疆Phantom4Pro无人机航摄系统，搭载一颗2000万影像传感器，巡航速度为10～20m/s，最大飞行高度为200m，巡航时间为30min，可以14张/s的速度拍摄照片，并能够进行实时存储与传输。
2.1 数据采集流程
无人机航测技术进行数据采集的流程主要包括：明确测量任务、航空摄影测量、像控点测量[6]、内业数据处理、精度评定与外业调绘和最终输出合格的产品，如图2所示。
图2 无人机作业流程图
2.2 航线设计
像片重叠度是影响数据精度的重要指标，所以合理的设置重叠度是作业初期的重要工作。一般来说，常规小比例尺航空飞行作业，由于其所需比例尺较小，在保证精度的前提下，其航向重叠度可设计为60% ～65%，旁向重叠度为30% ～40%，但基于此次影像数据采集后的用途不仅用于制作1：500地形图，还需要兼顾城市三维建模的工作，在影像数据量、影像精度上有着新的要求，即通过合理提高重叠度以获取更多的影像，有效提高数据精度。所以考虑到上述因素，项目飞行平台采用四旋翼无人机航摄系统，以测区的地形特征为基础，影像航向重叠度设置为80%，旁向重叠度为80%，用以满足实际项目要求。
2.3 像控点布设
像控点的选择不仅与设计的布点方案有关，还要依据实际情况考虑像点的精度、各类误差改正等对像控点的具体点位要求。像控点的精度影响到后期绝对定向，从而进一步影响影像的精度。所以，像控点布设根据实际项目要求，应结合测区的特点，按照全区航线设计每隔300m统一布点，且布设的像控点应尽量均匀分布，使全区精度均匀;点位应尽量选择在明显的位置区域，如道路交界处[14]，便于目视识别，方便后期刺点以提高刺点精度。像控点的测量采用GPS-RTK技术，对每个像控点独立采集2次，每次间隔60s，2次点位平面误差<2cm，高程误差<3cm，并拍摄该像控点位周围的图像，最终以2次测量数据的平均值作为像控点的最终成果。
2.4 数据建模
项目外业影像数据处理采用法国Acute3D公司的Smart3D处理软件，相对于其他建模软件平台，其操作简便、建模迅速、且能完成大数据量级别的建模，输出模型成果直观真实。在野外航测完成后，将无人机获取的影像数据按照一定的顺序分别放入不同的文件夹中，在Smart3D中创建新的工程，将影像加载到软件中，在工程准备完成后进行空三加密的工作。空三加密是无人机航摄内业处理的关键步骤，其主要作用是利用测区内少量的地面控制点进行控制点加密，求出加密点的平面位置和高程，以及各张像片的外方位元素，并进行模型制作，输出OSGB格式的三维模型。
传统的1：500地形图测量工作外业人工采集繁琐、劳动强度大、存在成本高昂、作业周期长、数据作业格式不统一的劣势，且地形图更新缓慢，无法及时有效的完成工程快速建设的工作需要，影响了后期的数据管理与入库工作，而采用无人机的作业方式与常规使用全站仪、GPS-RTK的作业方式有很大的不同，其最大特点是能够高效的进行外业数据采集和处理，缩短作业周期，提高了工作效率，但同时也对内业数字线划图的制作提出了新的要求：如何通过内业的质量控制手段来提高线划图的精度至关重要。
3.1 数据检查
数字线划图的采集使用EPS，通过调用软件的地形测量模块，将模型以及正射影像导入EPS，使正射影像与三维模型在同一个视图下显示，实现了二三维的真实联动，如图3所示，进一步方便数字线划图的快速采集。为了防止数字线划图采集过程中出现采集位置偏移的现象，数据导入后要对数据进行检查，检查内容主要包括模型的完整性、是否有重叠和清晰等，数据检查无误后方可进行下一步工作。
图3 二三维联动显示图
3.2 数字线划图采集
通常情况下，地物要素的采集应遵循一定的顺序要求，进行采集线划图数据时，应采集测区内的框架要素，如水系、道路等，在确立整幅图的框架基础后，再采集其他要素。数据采集的基本原则是：保证地物采集要素特征的完整性和准确性;在图示和规范的要求下进行合理的综合取舍;要素采集定位要在三维模型下反复观察，真正做到判断有依据，定位准确，最终确定要素在图幅上的位置。
地物要素的采集应以三维模型为基准，在三维模型下通过作辅助线的方式切准地物的定位点，绘图时严格按照地物的实际情况采集，要求所采集线划图能够做到对地物的真实反映。在模型不清楚的区域，尤其在三维模型视图下无法做出有效判读时，则需要用特殊的界线符号标定出来，并注明原因，以便外业调绘人员进行外业调绘。点状地物的采集为要素的中心位置;线状地物应依据要素中心线位置采集，线型选择正确且走向明确;面状地物应按照地物的外围轮廓线采集，构成严格的闭合面，属性录入正确;地物标注应按照地物的类别分别标注，标注位置和方向应按照图示的要求设置。
3.2.1 图幅分区
考虑到模型的数据量庞大，模型的地理信息较为复杂等特性，内业作业人员无法一次性绘制整个区域线划图，因此将模型合理分区进行内业绘制显得非常重要。图幅分区既要考虑模型完整性，又要考虑后期的拼接精度。作图前选取模型覆盖区域内的道路、河流等标志性的线状地物，或者以某大面积空旷地带作为分幅基准。为保证后期图幅合并时的精度以及提高工作效率，可按照一定的顺序对分区后每一个区域进行命名编号，完成对图幅的分区。
3.2.2 道路采集
选择从道路绘制开始，公路与其他双线性道路在图上均应按照实际宽度依比例尺表示，沿道路边线内侧依次连点成线，通过确定道路的位置用来确定整幅线划图的框架，形成大致轮廓。道路按照等级划分为省道、主干道、次级道路、支路等类别，选择相应的线型表示，并在道路转弯处断开，避免不同的道路等级混淆不清。道路的材质类型按其铺设面材料分为“沥”“砼”“石”等类别，机耕路、小路由于等级较低则不需注记材料，道路名称标注要沿道路走向每隔一定距离垂直于道路标注，方便识图。
3.2.3 建筑物采集
居民地的各类建筑物、构筑物及主要附属设施应准确按照外围轮廓采集，能够如实反映建筑物的结构特征，通过作辅助线的方法用来确定建筑物的边线与角点位置，如图4所示。房屋的轮廓一般以墙基外角为准，沿外角构面，并加注房屋结构和层数。
图4 房屋角点采集图
建筑物采集既要做到能够反应建筑物的结构特点，又要有效的保证采集精度。通常情况下，建筑物的角点位置是由两条相交且垂直的线构成，在作图时经常会出现非垂直的情况，这就要求在作图时应严格以三维模型的信息为准，做到对模型有充足的观察与理解，而且在作图完成后进行精度验证，使其更加符合真实的三维模型。
3.2.4 等高线绘制
地形图上的等高线能够反映出地形类型、坡度坡向、地势的高低起伏等状况。高程点采集作为等高线绘制的首要工作，采用“品”字形采集高程点，一般每隔15m的距离采集一次，既不可过密造成点位堆积，又不可因为过于稀疏无法反映地形的走势，从而保证高程点在全图上有一定的密度，均匀的分布在测区内，避免出现疏密不匀的情况。
基本等高距设置0.5m为标准，绘制首曲线，即在每隔0.5m处要有等高线来表示地势的走向，而每隔2.5m绘制计曲线。等高线不可穿越双线性地物，如道路、河流、湖泊等，一般选择断开在建筑物、坎的一侧。等高线的绘制有2种途径：
(1)通过构建格网的方式，选取一定面积的测区范围，自动生成选取范围的格网，然后生成等高线，此方法的特点是可快速根据区域内的高程生成等高线，但无法自动断开在双线性地物处或者按照要求有选择的断开;
(2)通过依次观察高程的数值变化，按照基本等高距手动绘制，采用此方法的优势是能够按照作业人员的要求随时进行修改，但是工作量大，容易出现遗漏等情况，所以考虑到2种方式的特点，一般是通过构建三角网的方式自动生成所选取范围内的等高线，手动剔除不符合要求的等高线。由于高程点数目较多，所以在绘制等高线时要仔细观察，整体把控，做到不漏画一条等高线，同时每绘制完一条等高线，要沿等高线两侧校对高程值是否在基本等高距的范围内，如有超出范围的高程点，则需要进行修改。
4.1 内业质检
数字线划图内业采集完成后形成了初步图幅成果，如图5所示。要对线划图的地理要素完整性、准确性进行检查，在内业对其质量进行初步验证。
4.1.1 完整性检查
地理要素的完整性检查主要包括以下几点：
(1)所绘制的线划图内容是否有地物绘制遗漏缺失，地物绘制遗漏的原因往往是由于模型自身的清晰度欠缺或者精度过低造成，使模型存在问题区域，无法为作业人员提供有效的作图依据，此时要对问题区域进行原因标注，方便后期的外业调绘检查;或者是由于作业人员的疏忽导致，此时则需要对缺失地物按照规范重新绘制。
(2)对于某些可以不予绘制的地物是否有重绘而存在取舍不合理的现象，解决方法是对照相应规范重新校对取舍的合理性，对相应的要素数据删除或保留。
(3)不同小面积的图幅合并后在图幅公共接边处出现地理要素重复、缺少或者错位现象，出现错位的原因大多是由于在合并图幅时没有确定好公共点，造成公共点位置的不一致，进而造成不同图幅之间的错位。解决错位问题一般需要重新校对不同图幅之间的公共点，直至错位消失。
图5 无人机航测内业线划图
4.1.2 准确性检查
线划图内容的准确性则是指地物要素的属性是否存在不一致性，如面状地物赋予了“线”属性;文字标注类型错误，如路面材质类型、房屋结构类型标注错误;地类要素之间图层分类混乱;点、线、面之间的拓扑关系在逻辑上存在错误或者未建立拓扑关系;地类要素存在压盖的情况等。通过EPS软件的数据检查功能可逐条进行修改。
4.1.3 质量初步验证
在完成数据的完整性和准确性检查后，通过作辅助线的方式随机采集地物的定位点、线，检查图幅是否有粗差出现，若出现粗差，则需要确认作图是否出现定位不准确的问题，然后依据定位点重新作图。
4.2 外业调绘
外业调绘是线划图制作的重要内容，也是检验内业制图成果的有效手段，通过外业调绘，对内业绘制要素数据与测区现场实际情况进行对比，校核地物的完整性以及验证成图的精度[1]。在1：500无人机测图中，外业调绘的工作主要包括以下内容：
(1)地物类型核实 内业作图的依据是三维模型，在某些情况下，对于模型清晰度欠缺的区域，单凭人眼的判别有时是难以辨别地物类型，如电杆与路灯作为点状地物在三维模型上的区分经常容易混淆;而某些大面积地物的地类类型，如大范围林地的种类属于杨树林还是果树林，难以做出有效判断，这就要求外业调绘人员在工作中必须核实图纸上的内容是否与实际一致。若出现不一致，则需要在图纸上清楚标注，以方便内业人员的修正。
(2)属性核实 属性核实一般是对地物的标注属性进行核查，比如建筑物的层数，尤其针对高层建筑物的层数，对错标和漏标的要予以纠正，以及建筑物的结构类型，由于在某些建筑物密集地带，建筑物之间的间距较小，造成模型遮挡严重，其结构类型往往难以做出合理判断，所以在外业调绘时要对类似区域着重核查记录。
(3)地物补测 由于某些不规则地物之间的界限模糊，难以区分，为保证数据的精度，需要现场实测，然后统一进行内业的绘制。
(4)精度验证 外业调绘时的精度验证不同于内业，为检验内业作图的精度，选取测区范围内一定数量的检测点，检测点应均匀的分布在测区内，通过GPS-RTK的作业方式实测检测点的坐标数据与高程数据，对每一个点位应有明确的编号，其位置应与图纸上一一对应。在外业调绘完成后，将调绘的数据拿到内业进行绘图，输出最终的成果。
4.3 大比例尺成图精度评价
通过采用GPS-RTK外业调绘后的数据和无人机内业地形图采集数据进行精度对比分析：主要从数学精度方面进行对比。数学精度主要包括平面精度(平面坐标)以及高程精度，外业测量数据整理完成后内业成图，通过选取相同位置点位的坐标数据进行较差计算，利用点位中误差公式计算出检测点的中误差，并进行精度统计，由式(1)表示为
式中：M为中误差;Δ为点位差;n为检测点位数量。
4.3.1 点位平面误差检定
在研究区范围内，均匀选取测区内的房屋角点，井盖的中心点，电杆点，沟、坎的定位点，路灯等作为平面位置精度的检测点，对测区内30个检测点进行外业实测，并与内业线划图数据进行对比，然后进行精度统计，结果见表1，其中误差为0.10m，从结果可以看出，平面精度满足1：500大比例尺地形图的测图规范。
表1 点位平面误差统计表/m
4.3.2 高程误差检定
在高程精度方面均匀选取居民区、道路和耕地等区域的38个高程点进行对比，结果见表2，其中误差为0.06m，满足相关规定要求。
表2 高程误差统计表/m
通过研究区的外业调绘数据与内业线划图的成图精度进行比较得出：基于多旋翼无人机平台获取的影像可用于1：500大比例尺地形图的生产，测量成果满足城市测量规范要求，可以快速完成测绘任务的要求。
通过上述研究可知：
(1)基于多旋翼无人机平台的地形图采集制作，弥补了传统测绘方式周期长的不足，加速内外业数据成图的一体化作业流程，通过内业的质量控制手段和外业调绘可以有效的保证线划图的质量，为大比例尺地形图的测绘提供了新的手段。
(2)多旋翼无人机航摄系统能够快速高效的获取高精度影像，在研究区范围内，点位平面误差检定结果中误差为0.10m，高程精度检定结果中误差为0.06m。通过三维场景的创建，实现了数字线划图的三维可视化表达，成果直观丰富，有效的改进了传统的测绘方式，大大提高了工作效率，使得无人机测量技术在测绘领域中的应用更加的广泛。
来源：《山东建筑大学学报》2018年1期
作者：崔健，李健，王鹏，杜洪涛，周磊
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第一作者简介：崔健(1964-)，女，教授，硕士，主要从事测绘数据处理与GIS在城市规划中的应用等方面的研究。
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