無人機航測技術在大比例尺地形圖測繪中的應用

張本平

陜西交通職業技術學院建筑與測繪工程學院，陜西 西安 710018

1 無人機航測技術的應用優勢

1.1 反應快速

部分測區現場環境較為復雜，地形起伏不定，在傳統航空攝影測量技術體系中，為保證測繪作業安全，需要將飛機保持高空飛行狀態，飛機起降條件要求嚴格，且測量精度易受到氣候條件影響，致使測繪結果無法真實、全面地反映測區情況。在應用無人機航測技術時，以無人機作為飛行器，具有機動靈活的特征，其可以保持低空飛行狀態開展作業，在前方出現障礙物時可以快速調整無人機飛行姿態進行躲避，獲取準確的觀測數據。同時，無人機起降條件要求寬泛，僅需在測區開辟一小段相對較為平整的路面，或是采取彈射起飛方式，在現場準備滑行軌道、牽引鋼絲、開鎖裝置等，施加橡膠拉力牽動小車在軌道上加速滑行，即可賦予無人機平飛速度，快速操控無人機前往測區拍攝影像資料。

1.2 時效性強

在早期的大比例尺地形圖測繪項目中，普遍選擇能獲取高分辨率衛星遙感數據的方式進行測繪，但在實際工作期間面臨著影像資料獲取時間較長、存檔數據時效性差的問題。在此背景下，應用無人機航測技術，無人機可以在短時間內前往測區航拍影像資料，實時將所拍攝資料通過數傳電臺傳輸至地面站，接收地面站下達的測繪任務與控制指令。同時，相關調查結果顯示，在一般條件下，無人機航測技術每日可完成數十平方公里的測繪任務，其時效性強的優勢在小范圍測繪項目中得到了最大程度上的發揮。

1.3 綜合測繪成本低

從實際應用情況來看，與傳統測繪技術相比，無人機航測技術在應用前期雖然需要投入一定成本用于采購飛行器、數傳電臺、五鏡頭傾斜相機、數字彩色航攝相機等設備，但憑借技術地表數據獲取快速、適用范圍廣、反應快速、作業效率高等優勢，可以將綜合測繪成本控制在合理范圍內，在同規模、類別的測繪項目中，無人機航測技術的綜合成本遠低于人工測繪、航空攝影測量等測繪技術。因此，對于無人機航測技術的應用，也是控制大比例尺地形圖測繪成本的一項重要舉措。

1.4 適用范圍廣

傳統地形圖測繪技術均存在一定的應用局限性，如人工測繪效率低下、航空攝影測量技術的飛機飛行高度需要保持在5000m及以上，測量精度受云層等氣候條件干擾，難以高效完成特殊地形的測繪任務。與之相比，無人機航測技術的監控區域受限制條件較少，消除了復雜地形、氣候條件等外部因素對測量精度和成圖質量造成的影響，且測量精度與成像質量均可以得到保障。

2 無人機航測技術在大比例尺地形圖測繪中的應用

2.1 地面控制系統搭設、航線規劃與航測控制點布設

首先，在現場設置地面基站，在基站內安裝遙控器、視頻顯示器、數傳電臺和電源子系統，在后續無人機航測過程中，由地面基站通過數傳電臺持續獲取實時拍攝的影像資料與觀測數據，對無人機遠程下達控制指令，如調整無人機的飛行高度、速度與姿態，根據外業作業情況調整無人機航向。

其次，規劃無人機航線，遵循《低空數字航空攝影測量外業規范》（CH/Z 3004—2010）等規范文件，結合測區地形地貌起伏情況設定無人機航線與飛行高度，以此控制像片重疊率、像片旋角，將無人機飛行期間與攝影基準面的相對高度保持基本一致，避免因相對高度波動變化而影響到測繪成果分辨率。

最后，綜合分析現場地形條件、測繪任務要求、控制網形狀等因素，在測區現場內設置一定數量的航測控制點，如在首條和最后一條無人機航線內設置不超過8個平面像控點，在重丘陵和微丘陵測區內分別將基線數量控制在16個左右和12個以內。同時，部分大比例尺地形圖測繪項目的現場地形條件過于復雜，不具備設置明確像控點目標的條件，因此需要以小型目標為依據來布設高程點，同步采取分段擬合方法，以控制所采集影像資料的質量，掌握物體交點和頂點部位的位置信息。

2.2 測區影像數據的全面采集

在測區影像數據采集環節，測繪人員需提前做好準備工作，檢查無人機航測系統中的各項功能使用情況，如航向定位功能、信號收發功能。待準備工作完成后，在ALtizuree等軟件中導入無人機航線與劃分測區長度方向，分別設定各測區航向、飛行高度、飛行速度等參數，根據測繪任務要求開展空中三角測量與照片控制測量作業，要求影像重疊度不得小于85%。同時，組合應用POS技術，在無人機飛行期間持續感知無人機飛行姿態，以此解決無人機航測技術姿態穩定性差和影像旋偏角過大的技術問題，依托這項技術開展測繪點三維坐標測算作業。

在空中三角測量步驟中，測繪人員在已掌握野外控制點信息的基礎上，對各處控制點進行加密處理，由無人機航測系統在運行期間替代人工自動拍攝影像資料與完成計算操作，工作人員提前在系統中輸入連接點位，將其和測量模型進行連接，即可在測量過程中獲取各處加密點平面位置以及高程等數據，切實滿足大比例尺地形圖測繪需要。同時，在空中三角測量期間，重點控制絕對定位精度與相對定位精度，例如，在1∶1000的大比例尺地形圖中，將丘陵地形中的定向點殘差的平面誤差控制在0.25mm以下，將高程誤差控制在0.25m以下。在照片控制測量步驟中，組合應用無人機航測與GPS系統，對外業作業期間獲取的三維觀測數據及航測影像信息進行結合處理，從而既可以獲取測區內各處控制點的三維空間坐標值，又可以準確描述各項控制點間的位置關系。

2.3 航測數據處理

在航測數據處理環節，工作人員提前將所收集航測影像資料進行分組處理，要求各組次內的照片數量不得少于6張，并將航測影像資料及外業控制成果輸入模型，從中篩選高精度圖像與處理刺點數據。隨后，使用航測軟件依次對所導入航測數據進行空三加密、點云數據生成、DEM生成、DOM生成處理?？杖用苁腔趲缀翁卣髋c控制點三維空間坐標值對所采集的具備航向重疊度和旁向重疊度的像片進行平差處理來獲取加密點信息。點云數據生成是使用密集匹配算法對影響數據加以密集匹配、鑲嵌、勻光處理來獲取密集點云數據。DEM生成是在空三計算成果的基礎上獲取核線影響并引入特征點等信息來構建三角網，在三角網內插高程來生成DEM數據。DOM生成是使用反解算法與雙線性內插法對數據分別進行微分糾正與重采樣處理，以此獲取鑲嵌線來拼接測區模型正攝影像以生成標準樣圖。

2.4 大比例尺地形圖繪制

在大比例尺地形圖繪制環節，工作人員使用AreGIS等軟件，在軟件中導入內業數據處理環節中獲取的DOM等數據，在此基礎上構建三維模型，在模型匯總中分析對比矢量化數據特征和地貌信息，選擇性地對三維模型進行修飾處理，待處理完畢后將模型輸出，獲取真正射影像圖數據和實景三維模型數據，使用軟件自帶工具生成CAD圖紙，完成地形圖繪制任務。

2.5 地形圖更新

為了保證所繪制地形圖清晰明確，預防出現圖面失真的問題，在大比例尺地形圖繪制完畢后，需要開展地形圖更新作業，對已掌握的航測數據及所繪制的地形圖開展坐標轉換與圖幅糾正操作，將地形圖、航測影像、地形圖更新區域和轉換后的坐標進行室內判斷與線劃數據更新處理，再將更新數據進行編輯整理和檢查驗收，退回不合格數據及地形圖，在檢查驗收通過后進入成果輸出步驟。

3 實際應用案例

在某大比例尺地形圖測繪項目中，考慮到項目時間要求較為嚴格，需要在30d內完成25km2的測繪任務，并繪制比例尺為1∶1000的地形圖，傳統航測技術的航飛審批流程較為煩瑣，最終選擇采用無人機航測技術。配置華測P700E航測無人機等設備，在測區內以2～10個點位/km2的密度布設像控點，設定1000比例尺9cm地面分辨率和2000比例尺15cm地面分辨率，在現場安裝彈射架，采取彈射起飛的方式控制航測無人機起飛，在2h內完成航測作業，持續監測航高、飛行軌跡等參數。待航測完畢后，從無人機航測系統導出拍攝圖片，經過數據質量評估后確定無須開展補測作業，使用空三軟件對數據進行加密處理，在立測軟件中測制地形圖，如圖1所示。

圖1 大比例尺地形圖航空測量

4 結束語

綜上所述，無人機航測技術作為一項全新的測繪技術，在大比例尺地形圖測繪項目中取得了顯著的應用成果，測量精度與效率均得到明顯提升。因此，相關人員應正確認識到無人機航測技術的應用價值，制定完善的技術應用體系，以提高技術應用水平，為測繪質量的提高提供技術保障。