低空航測技術在城鄉規劃中的實踐和應用

莫龍

(余姚市規劃測繪設計院，浙江 余姚 315400)

1 引 言

目前運用航測手段獲取地表影像資料的方法主要為有人飛機航拍和低空平臺航拍兩種。有人飛機航拍由于高昂的固定成本費用、起飛條件限制以及航線空域管制較低空飛行嚴格等諸多的不利因素，在小區域范圍內的城鄉規劃項目中基本無法使用。所以利用機動靈活、成本低廉、快速高效的低空無人機航拍就成為此類業務的最佳選擇。本文結合余姚市泗門鎮城鄉規劃航測工程實例進行探討。

2 測區概況

測區位于余姚市泗門鎮，為浙江省首批小城市培育試點鎮和寧波市衛星城市建設試點鎮，位于余姚市西北的中心，瀕臨杭州灣，是一座悠久歷史和現代文明交相輝映的中心城鎮。全鎮總面積 66.3 km2，轄16個行政村、4 個社區，常住人口超10 萬人。此次作業區域內多為農田和村莊，植被多為榨菜，地勢平坦，地形以平原為主，交通便利，鄉村道路密布，路面狀況良好，來往車輛較少，利于野外作業。

2.1 項目工作量

本項目自2011年2月28日開始，外業工作于2011年5月5日全部結束，完成工作量如下:①完成50 km2低空無人機航片加密和1∶500 地形圖測制;②完成50 km21∶500 正射影像制作，涉及正射影像圖942 幅。

2.2 主要精度及指標要求

空三加密精度:空三加密成果滿足15 cm 的平面中誤差;正射影像圖(DOM)精度:數字正射影像為24 bit 真彩色影像，分辨率為 0.05 m，像元定位點在像元中心;成圖精度指標:

參照1∶500 數字線劃圖成圖精度，平面位置中誤差在平原、丘陵地區不得大于 0.15 m，即圖上0.3 mm;在山地、高山地區不得大于 0.25 m，即圖上0.5 mm。兩倍中誤差為最大限差;相鄰圖幅的接邊精度:相鄰像幅的接邊以目視直接判讀不得出現明顯接邊痕跡為主要原則，實現圖幅間零接邊誤差。

3 總體方案

(1)像片控制測量:按照布點方案進行像控點的布設。像控點布設應能滿足和 1∶500 地形圖測繪以及1∶500 數字正射影像圖、1∶500 數字高程模型制作的需要。利用GPS 連續運行參考站VRS 技術及似大地水準面精化技術，采用GPS RTK 測量方法，快速測定像控點的三維空間坐標成果。

(2)無人機低空攝影:根據航拍方案實施攝影作業。

(3)內業數字化測圖、正射影像圖和數字高程模型制作:利用由張祖勛院士領銜研制的數字攝影測量網格系統(DPGrid)進行生產。該生產線采用改進的影像匹配算法，實現了自動空三、自動DEM 與正射影像生成，自動化程度大大提高。

(4)外業調繪:采用“先內后外”的航測方法進行測圖，即先由內業按影像定位測繪，利用自動空三加密軟件自動創建立體模型，根據立體模型進行數據采集，生成圖形文件，再由外業定性調繪、補測，計算機編輯處理，最終形成數字化地形圖(DLG)。根據立體模型、結合地形圖資料，編輯并生成數字高程模型(DEM)和數字正射影像圖(DOM)。

(5)作業流程

圖1 作業流程圖

4 無人機低空航拍

采用低空無人機進行了拍攝，飛行高度100 m，獲取了全作業區分辨率5 cm 左右的航片10 385 張，像幅為300 m×200 m，覆蓋面積約50 km2。

圖2 作業區低空攝影架次分布圖

(1)采用35 mm 焦距的鏡頭進行了航拍，在拍攝前進行了相機標定。

(2)根據作業區范圍與地形情況進行地面航跡規劃，飛機上天后定點曝光。整個航攝區被劃分為泗門南作業區與泗門北作業區。其中，泗門北作業區分為4 個架次，泗門南作業區分為3 個架次，如圖2所示。

(3)為了減小像點偏移，航拍在選擇較短的曝光時間(1/1 250 s)的同時，也將對地飛行時速控制在90 km 左右，以減小像點漂移的影響。

(4)獲取的航片圖面清晰，色調真實，層次豐富，反差適中，滿足后續空三加密、DLG 采集與DOM 制作的需求。

5 空三加密

為了能更快更好地對無人機航片進行空三加密與正射影像圖制作，我們在內業處理的過程中引入DPGrid 系統(網絡版)，通過自動匹配，快速高效地生成了大量高精度、高強度的模型連接點，通過立體刺加像控，采用光束法區域網整體平差獲得了加密成果。

5.1 加密流程

空三加密的流程如圖3所示。

圖3 空三加密流程圖

5.2 加密區劃分

加密區根據攝影作業架次分為4 個加密區。

5.3 加密要求

(1)內業加密點盡量選在本片和相鄰像片影像都清晰、明顯、易轉刺和量測的目標點上。

(2)盡量保證空三加密區中每一張影像3°重疊區的上、中、下3 個標準點位上有連接點，如圖4所示。

(3)加密時，采用外業像片控制測量的檢查點進行檢核，但不參與整體平差。

圖4 加密點位分布圖

5.4 相對定向精度

(1)連接點上下視差

以平地為參照，各加密區模型連接點殘余上下視差分別如表1所示。

表1 上下視差統計表

由表1可知，模型連接點殘余上下視差符合規范規定的要求。

(2)模型連接較差

平面位置較差△S≤0.06×Mp×10－3;高程較差△Z≤0.04×Mp×fk/bp×10－3其中:Mp為航攝比例尺分母，fk為航攝儀焦距，bp為像片基線。式中△S，△Z 以m為單位。

由表2可知，模型連接較差符合規范規定的要求。

(3)絕對定向精度

以平地、丘陵地形為參照，絕對定向后基本定向點殘差、多余控制點不符值以及網間公共點較差分別如下所示。

①基本定向點殘差

各加密區基本定向點殘差如表3所示。

表2 模型連接較差統計表

表3 基本定向點殘差統計表

②多余控制點不符值

各加密區多余控制點不符值如表4所示。

表4 多余控制點不符值

6 數字高程模型(DEM)制作

采用了多機網絡并行計算的方式進行密集匹配，快速高效地生成大量密集匹配點，然后在立體環境下進行密集匹配點編輯，去除屋頂及樹等高出地面地物上的點，再結合地貌特征內插生成0.5 m 間距格網DEM，最后再檢查DEM 點與每個模型的吻合情況，對DEM 點與模型不吻合的區域進行了修測，使每個格網點都貼近地表。

7 正射影像(DOM)制作

根據解算得到的外方位元素成果，利用生成的數字高程模型(DEM)及采集的部分DLG 數據，對數字影像數據進行逐片逐像元投影差改正后，經過鑲嵌、剪裁，在DPGrid 系統中自動制作成正射影像圖。

(1)成圖精度指標，

以外業實測的平面坐標為參照，檢查泗門南作業區的DOM 平面精度，統計情況如表5所示。

表5 DOM 精度統計表

(2)相鄰圖幅接邊

作業過程為無縫作業，實現了圖幅間零接邊誤差。

8 提交航測成果制作城鎮規劃圖

規劃部門利用DOM 正射影像圖和大比例尺DLG線劃圖等航測成果，以此為基礎資料制作城鎮總體規劃圖，如圖5～圖8所示。

圖5 內業立體測圖

圖6 測制DLG 線劃圖

圖7 DOM 正射影像

圖8 編制總體規劃圖

9 作業難點與解決方案

(1)單位面積內模型數較多，若采用人工方式添加模型連接點，加密工作量較大。對此，采用了多機、多核網絡并行自動匹配的方式，快速高效地生成了大量高精度、高強度的模型連接點。

(2)無人機航片普遍存在畸變較大的問題。對此，利用大量均勻分布的高精度、高強度模型連接點進行平差解算，提高了空三加密成果的精度(大部分片上模型連接點在110 個點以上)。

(3)若只是平面添加像控點，將導致刺加的控制點精度偏低。對此，采用了立體刺加像控方式進行加點。

(4)局部地方控制點不足，采用了外業補測控制點方式。

10 結 語

本項目采用無人機航攝技術快速獲取DOM 正射影像圖為城鄉規劃的前期基礎性工作的開展贏得寶貴的時間，采用空三成果內業測制大比例尺DLG 線劃圖相對常規全野外數字化測圖，工期大幅度提前，測繪成本更低。其主要優點有:

(1)地形圖測制速度快、操作簡單，成本低，影像分辨率高，成圖精度高，減少外業工作，節省了大量的人力、物力，從而提高了經濟效益。

(2)正射影像圖提供了大量的信息，以直觀、翔實的影像反映了許多實地踏勘中的盲點。同時，利用數字正射影像圖作為規劃底圖，使規劃內容與周邊環境的關系更加清晰，在舊區改造、歷史古建筑保護、城市重點區域和地區標志性建筑的規劃設計中可以發揮十分重要的作用。

(3)無人機航拍可以獲取多元數據，不僅可為城鄉規劃、土地、環境、測繪、電力、電信、煤氣等部門提供精確、直觀、信息豐富、現勢性強的基礎地理數據，豐富規劃、設計、管理的手段與方法，提高管理效率。同時為城市各種地理信息系統提供新型數字測繪產品，充分發揮地理信息系統的作用，為整個城市的建設、規劃管理以及經濟的發展作出貢獻。

［1］萬幼川，劉良明，張永軍．我國攝影測量與遙感發展探討［J］．測繪通報，2007(1) : 1 ～4．

［2］張祖勛．從數字攝影測量工作站( DPW) 到數字攝影測量網格( DPGrid) ［J］．武漢大學學報( 信息科學版) ，2007，32(7) : 565 ～572．

［3］孫杰，林宗堅，崔紅霞．無人機低空遙感監測系統［J］．遙感信息，2003(1) : 49 ～51．

［4］陳玲，潘伯鳴，曹黎云．低空無人機航攝系統在四川地形測繪中的應用［J］．城市勘測，2011(5) : 75 ～77．

［5］杜全葉，陸錦忠．無人飛艇低空攝影測量系統及其DOM制作關鍵技術［J］．測繪通報，2010(6) : 41 ～43．

［6］凡亦文，劉全海，高文濤等．無人機航空攝影測量在大比例尺測圖中的應用［A］．第十七屆中國遙感大會摘要集，2010．