论文专区▏无人机影像在测绘1:500海岛地形图中的应用
一、引言
我国海岛较多，面积在500m2以上的岛屿有6500个以上，其中有人居住的岛屿只有450个左右，大部分是无居民海岛，离大陆较远，无控制点，且海岛植被茂密，山体陡峻，地势复杂，海岛礁登岛困难[1-2]。传统的RTK测量、全站仪图根测量等测量方法无法获取海岛的基础地理数据。
无人机航摄系统具有灵活、高效快捷、高精度、小面积、高现势性、成本低[3]等特点，且集成化程度高，易培训，易操作。无人机的出现及快速发展，满足了国民经济发展对海岛大比例尺地形图的需要，对海洋测绘部门实现海岸带、海岛礁地形自主按需测绘具有重要意义[4]。
目前的无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）[5-6]航摄系统主要是由地面无线电遥控或者机载计算机程序控制的搭载高分辨率数字遥感设备（如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、近红外相机等）、GPS、自动测姿测速等设备组成的无人承载的飞行器[7-8]。无人机航摄系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括飞行设备、飞行控制系统、传感器系统、地面操作平台及监控系统等[9]，其中传感器系统是外业测量的关键，传感器分辨率的高低直接决定了测量的精度和成图比例尺；软件系统包括航线设计和后期影像处理软件等，其中后期影像处理软件是内业精度控制和成图的关键。
二、无人机航摄地形图测绘生产技术流程
无人机航摄地形图的生成技术流程包括资料收集、室内设计、外业测量、室内影像处理、外业补测等5个步骤[10-11]，具体见图1。
图1 生产技术流程图[12]
确定工作区后，首先收集项目区已有的地形地貌测绘成果、卫星或航空遥感影像、自然地理状况。海岛一般离陆地较远，需坐船登岛，增加了作业难度、成本，因此进行海岛无人机航飞还需要收集海岛试飞前后三天的天气与潮位资料以及交通、船运信息。根据已有的资料和任务要求，设计航线重叠度、航高、飞行速度、飞行时间、飞机起降位置、控制点采集密度及数量等。
然后，在天气晴朗、可见度高、风速较小（一般海岛上的风力比邻近大陆风力大1级）的天气下开展无人机航飞测量。在航飞的同时，架设RTK测量系统，根据现场海岛情况，寻找明显地物点，测量控制点。考虑到与陆地航飞不同，海岛航飞需要租船，往返海岛与陆地非常不便，且每日的租船费用往往较高，因此航飞结束后，需及时整理航飞影像，检查航飞区域是否完全覆盖项目工作区。如无完全覆盖，及时制订补测计划，并开展未覆盖区的补测，以节约经费成本。
外业航飞结束后，回到室内处理无人机航飞影像数据。使用后期影像处理软件根据外业采集影像和测量数据以及相机的基本参数，进行内定向、相对定向、绝对定向，建立平差网、空三平差等处理，生成数字高程模型(DEM)、数字正射影像(DLG)以及地形图。
三、应用实例
⒈ 项目概况
本次航飞的区域是虎平岛，位于辽宁省大连市，距离陆地12km，面积约为1km2，东西长1.2km，南北长0.8km，岛上最高点相对高度低于50m，坡度大于25°。项目区航飞前，经调查该区域属于民航飞行区，经协调：飞行当天下午15:00～17:00可进行无人机飞行，且飞行高度需低于1000m。按照精度、比例尺及相关部门等的要求：本次航飞高度300m，航速85km/h，航向重叠度和旁向重叠度均为80%。航飞当天，租船登岛，海岛上风力4级，能见度高，登岛后寻找适合的起飞与降落场地，并测试无人机航飞前的性能，共用1小时左右，航飞一个航次，共用30分钟。飞行共获取474张原始无人机图像，同时测量5个控制点用于精度检查。经检查飞行区域完全覆盖虎平岛后，坐船回到陆地。
图2 虎平岛航线图
⒉ 无人机设备
本次选择进行海岛航飞的无人机是美国生产的Trimble UX5 HP。该无人机是一套易用、全自动、高精度的地面分辨率最高可达到1cm。无人机集成了GPS动态后处理差分PPK（Post-Processing Kinematic）技术，可在绝对系统中建立非常准确的图像位置，消除地面控制的必要性。因此，可在植被茂密、岛体峻峭的海岛上减少地面控制测量时间，并保证无人机航飞的高精度性。
Trimble UX5 HP是固定翼无人机，重量2.9kg，航飞高度在75m～750m，续航力40min，巡航最大速度85km/h，镜头35mm（航飞高度与精度、范围的关系见表1），采用机腹着陆，着陆范围50m×50m。可见该无人机较轻，对着陆范围要求不高，非常适合在远离大陆、较小的海岛进行航飞。
表1 无人机航飞高度与精度、范围的关系
高度 | 精度 | 单架次飞行范围 |
75m | 1.0cm | 0.6km2 |
100m | 1.4cm | 0.8km2 |
120m | 1.7cm | 1.0km2 |
150m | 2.1cm | 1.2km2 |
300m | 4.2cm | 2.7km2 |
750m | 10.5cm | 6.3km2 |
无人机航飞影像数据处理软件采用Pix4Dmapper。该软件可方便地把原始航空影像变为任何专业的GIS和RS软件都可以读取的DOM和DEM数据。通过提供ERDAS、SocetSet和Inpho可读取的输出文件，能够与摄影测量软件进行无缝集成。
⒊ 数据处理
数据预处理采用Trimble Business Center，影像处理采用Pix4Dmapper。
产品处理流程：
①导出无人机遥感像片，保存为.JPG格式；
②导出无人机航飞轨迹数据；
②打开Trimble Business Center，创建新项目，选择编辑坐标系；
④导入无人机航飞轨迹数据、基站采集的静态数据，并编辑基站坐标、天线类型、仪器高等；
⑤对采集的静态数据进行基线处理；
⑥输出POS数据，保存为.CSV格式，并对数据进行相关编辑；
⑦打开Pix4Dmapper，创建新项目，编辑相关的相机参数，导入像片、POS数据；
⑧自动提取地面地物点云、数字地表模型（DSM）和DOM。
建立影像金字塔、空三加密，提取地物点云、DSM、DOM，1km2的海岛全部处理下来需要10h左右。
⒋ 精度分析
经过数据处理，得到虎平岛1:500的数字地表模型DSM，见图3。
图3 虎平岛数字地表模型DSM
根据同步测量获取的5个检查点对无人机正射图像和DSM三维高程数据进行精度验证。结果见表2。
表2 处理结果精度验证 单位：m
点号 | Y差值 | X差值 | 高程差值 |
J1 | -0.034 | 0.09 | 0.193 |
J2 | -0.008 | -0.035 | -0.015 |
J3 | -0.033 | 0.047 | 0.053 |
J4 | -0.073 | 0.098 | 0.036 |
J5 | -0.074 | 0.047 | 0.148 |
依据《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z 3003-2010）、《基础地理信息数字成果1:500 1:1000 1:2000数字高程模型》（CH/T 9008.2-2010）的相关要求（表3、表4），1:500的DSM高山地地物点平面位置中误差不大于0.8m，高程中误差不大于0.7m。由表2可知，虎平岛无人机航飞数据平面位置中误差最大为0.098m，高程中误差最大为0.193m，均远小于规范要求误差。
表3 平面位置中误差 单位：m
比例尺 | 1:500 | 1:1000 | 1:2000 | |||
地形类别 | 平地、丘陵地 | 山地、高山地 | 平地、丘陵地 | 山地、高山地 | 平地、丘陵地 | 山地、高山地 |
地物点 | 0.6 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.5 | 3.75 |
表4 高程中误差 单位：m
比例尺 | 一级 | 二级 | 三级 |
1:500 | 平地 0.20 | 平地 0.25 | 平地 0.37 |
丘陵地 0.40 | 丘陵地 0.50 | 丘陵地 0.75 | |
山地 0.50 | 山地 0.70 | 山地 1.05 | |
高山地 0.70 | 高山地 1.00 | 高山地 1.50 |
四、结束语
本文讨论了无人机在远离大陆的海岛大比例尺地形图测绘中的应用，通过在虎平岛进行实地航飞采集数据，对无人机航飞的外业数据采集、内业数据处理、正射影像输出和精度分析等方面进行了详细的叙述，由此得出如下结论。
①无人机航飞采集数据，水平位置和高程中误差均小于0.2m，满足《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z 3003-2010）、《基础地理信息数字成果1:500 1:1000 1:2000数字高程模型》（CH/T 9008.2-2010）中对1:500数字地表模型测绘的要求。
②无人机航摄系统相较于传统测量具有高效率、方便快捷的优点，大大缩短了外业作业时间，节省了测绘成本，内业数据处理自动化程度高、精度高。
③无人机航摄系统受天气影响较大，对无人机起降场地要求较严格，因此具有一定的局限性。
海岛地理位置的特殊性，给传统的测量仪器、方法带来巨大的挑战，同时也给无人机航摄系统、三维激光扫描仪等新型的测量仪器和方法带来了空前的机遇。
参考文献：
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【作者简介】第一作者袁蕾，1986年出生，男，河南驻马店人，国家海洋环境监测中心，硕士研究生，工程师，主要从事海洋测绘及生态遥感研究；本文为基金项目，海洋公益性行业科研专项（201505012）；文章来自《海洋测绘》（2018年第1期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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