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地形测绘中无人机航空摄影测量技术的应用

发表时间：2021/6/18 来源：《基层建设》2021年第6期作者：陈均才

[导读] 摘要：在传统地形测绘中，采用的测绘技术无法满足大比例地形图绘制需求，且只能在局部小范围内进行测图，相关测绘数据结果的更新则主要依赖于人工来完成。

        梧州市中瑞嘉业房地产测绘有限公司
        摘要：在传统地形测绘中，采用的测绘技术无法满足大比例地形图绘制需求，且只能在局部小范围内进行测图，相关测绘数据结果的更新则主要依赖于人工来完成。这种测绘工作方式不仅劳动强度大，而且作业效率低，无法满足当今地理信息产业化时代的工程地形测绘要求。采用无人机航空摄影测量技术进行测绘分析，可以提供丰富的数字化、可视化成果，提升地形测绘图的应用价值。
        关键词：无人机；航空摄影测量；地形测绘
        在地形测绘中，采用无人机+高清摄像机构成的测量既可降低测绘的成本与难度，又可提升测绘的精度，具有良好的应用效果与前景。
        1.无人机航空摄影测量技术分析
        1.1技术原理
        无人机航空摄影测量技术以UAV无人机航测系统为载体，集成了空中拍摄、无人机遥控遥测和视频影像传输处理等多种技术。无人机航测技术主要借助无人机、影像航拍设备、地面航线设计应用软件、无人机航摄飞行控制软件、地面信息处理系统、机载数据处理系统等，获取高分辨率及高精度遥感数字影像。通过无人机高空飞行作业，搭载数字航测设备进行工程地形遥感测绘，借助信息数据处理系统对无人机航空摄影所得相关遥感影像数据进行后期加工，从而制作形成符合各种比例尺精度要求及国家地形测绘标准的地图产品。
        1.2工作流程
        采用UAV无人机航测系统进行工程地形测绘时，需要经过无人机航空摄影，布设区域网像控点进行像片控制测量，全数字空中三角测量，相关数据采集及外业调绘及野外实测成果质量验收几个主要步骤流程
        2.无人机航空摄影测量技术的应用优势与误差来源
        2.1应用优势
        无人机航空摄影测量技术，即无人机与航空摄影测量有效结合的技术，为航空遥感开创出一个新的发展方向—无人机数字低空遥感，可广泛应用于多个领域，如基础测绘、国家工程建设、数字化城市建设、国土监察、灾害应急处理等，具有以下4种优势。
        2.1.1具有较强的数字响应能力
        无人机一般是低空飞行，受不良天气的影响极小，所以可对数据保持良好的响应力，同时无人机航空摄影测量模式中的数据是实时传输的，可在地形测绘中，获取大面积的测量数据。
        2.1.2提升地形测绘整体的精确度
        无人机航摄过程中，传送的测绘信息精度高，可以将数字图像转化成三维正摄影像图，有些甚至可转化为三维可视化影像，实现无人机、航空测绘、遥感等的结合，继而提升地形测绘整体的精确度。
        2.1.3具有更强灵活机动性
        主要体现在3个方面。1）无人机内装有高精度数码摄像设备，可从垂直、倾斜2个方向拍摄测量区域，且升降不需要在专业区域内实现。2）无人机可在预设的飞机航线的基础上，实现自动分型。3）可一次设置多个地形测量航拍点，全面采集航拍点的数据，并及时上传相应的地形情况，实现高效工作。
        2.1.4具有明显的经济效益
        主要体现在2个方面。1）无人机测绘技术的成本相对较低，又融入了多种先进技术，如通信技术、网络技术、计算机软件技术等，可提升地理信息的获取效率。2）无人机测绘周期较短。
        2.2误差来源
        无人机常见误差来源包括仪器误差、人工误差、气候及其他外界因素误差等。首先，仪器误差产生的主要原因包括仪器本身的设计与制作较差、检验校正不良等，其中又以传感器量化系统误差最为典型。其次，人为误差产生的原因包括人感官鉴别有限、技术水平较低、工作态度不端正、像控识别、空三测量、数据采集等。最后，气候及其他外界因素误差产生的原因是天气会对飞行器姿态与成像质量产生影响。上述误差均会对地形测绘结果精度产生消极影响，应在具体施工中对其进行有效纠正与避免。
        3.工程概况与方案设计
        3.1案例
        受一房地产开发公司委托，测量与绘制面积为3km2的1∶2000数字线划地图（DLG）。该地位于该市东南部，平均海拔500m，属丘陵山地地带。经分析，利用一般外业测绘法较为困难，且工期较长、成本较高，所以选择无人机航空摄影测量技术对该地点的地形图进行测绘。
        3.2方案设计
        对该项目的实际情况进行分析后，选择使用成都纵横CW-10无人机+索尼7RII相机进行测绘活动。由于无人机测量会受到风速、光线等影响，因此，选择风速较小、光线良好的下午进行航空测量。之后，测绘人员凭借长期的测绘经验、过硬的理论知识，对无人机整体航测方案进行了设计。有关测绘人员要做到以下4点。1）通过文件查阅、实地勘察、网上搜索、调研等，了解测绘区的地形地貌特征，全面分析测绘区的具体情况，划分无人机飞行分区，设计飞机航线图。2）将飞机高度、航摄方向等全部相关信息准确无误、清晰细致地标注在飞行图纸上。3）按照测量区的大小与地形、地形图要求信息、当地控制点情况等设计航测控制点，确保实现全覆盖航摄。4）布设像控点时要考虑不同影像的结合点，并设置必要的检查测点。通过上述措施，确保无人机航摄能够顺利完成。

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作业时，共采用4架无人机，最大飞行速度80km/h，相对航高500m，共有6条飞行航线，航飞面积覆盖3km2，最终获得了423张航空影像。总体来看，影像色彩清晰、均匀且色调正常。
        4.无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用
        4.1外业测量
        无人机航摄路线确定后，需要将重点放在航摄控制测量上。就该区域情况而言，测绘人员一般要先将具体测量区域分为不同网区，并在2条及以上航线处布设平高点，像控点距离不超过4条航线。此外，为了很好地控制像素点，应用CPS与RTK结合的技术测量控制点，且由于测绘区地形较复杂，所以要对高程空点平面坐标进行测量，同时还应用华测航测数据软件实现空三测量加密。
        像控点布设要求有2点。1）以平高点、基线为基础进行区域网布设，一般而言，基线数量为4条或6条以上（针对偏远地区），偏远地区还应设置2条以上旁向跨度基线，如果测绘区域不规则，则还应在拐角区域内布设平高点。2）起算点与监测点大多为D级与E级GPS控制点，测绘过程中工作人员要灵活、合规应用不同设备。
        加密点布设要点有3点。1）加密点一般要位于测量区较突出的位置，如田坎、林间空地、房角、道路边角等，自由边处要将点选择在测量范围外。2）专门标记各加密点的距离，在比例尺为1∶10000的地形图中，加密点的距离至少为1mm。3）对山谷、河道等区域进行测绘时，要提高航测节点标高差，在平坦地突然变为上山地处，每像增加加密点1~2个，以免影响相对定向，稳定测绘活动[3]。加密点布设完后，便可进行空三测量，测绘工作人员要科学控制航测像素精度，大多采用1/3或2/3像素，并视实际状况将影响精度调控至1/2像素。误差消除：数码影像会受传感器有关因素的影响而存在畸变差，如感光单元、物理镜头等，进而影响测量成果的精度，使其不能满足对应工程的要求，对此可通过建立相应畸变数字模型进行纠正，从而获得可量化影像。摄影比例尺分母与航高须经过2步才能得到，先以成图比例尺为依据，得到实际地面分辨率，再以鉴定焦距为依据，得到这2个参数，实际地面分辨率确定后，通过合理确定相机摄影设置方式，以控制高程的采集精度。该项目中，无人机航空飞行的高度为700m，共有2架次飞机，27条航线，航程共计320km，时长3h，总共拍摄照片2200张。
        4.2内业处理
        该项目所应用的主要内业数据处理软件为ContextCapture，处理时，内业人员遵循“所见即所得”原则，并构建加密成果模型，实现全要素采集、匹配与模型编辑等，初步完成测绘目标。空三加密工序为加密准备→内定向→相对定向→绝对定向，形成成果并上交。利用航摄仪鉴定资料，如焦距、像素大小与行列数、像素值参考位置等进行内定向。相对定向中，连接点上下视差中误差<1/3像素，连接点上下视差最大残差<2/3像素，特别困难地区或资料放宽至1/2像素，对比原航摄资料，以该次航摄区域当中所收集的显著地物点坐标作为像控点数据，运用inpho软件完成控三的加密工作，同时将其制作成DOM成果。
        4.3补充测绘
        经分析，由于初次测绘未能全面达到测量目的，因此需要进行补充测绘。测绘人员先以DLG为基础得到全要素野外调绘图，明确补测、修测小区域，有针对性地进行补充外业测绘，补充时，仅需对疏漏、遗漏、错误部分进行分析。补修测完成后，利用CASS10.0及其他相关软件，经过编辑整饰，制作最后的测绘成果。
        外业补测时，工作人员要做到以下3点。1）应对所测区域的实际情况进行细致甄别，对各区域补测难度与隐蔽性进行评估，如果补测难度大、区域较隐蔽，则应当人工补测。2）要精准核验无人机测绘内容，最好将较小的测量区域作为航拍测量的校核内容，谨慎避免可能误差。3）外业补测要建立在先前测量的基础上，具有一定目的性，实现补测结果与先前结果的良好对接，保证测绘效率与精度。
        4.4精度分析
        基本定向点残差、检查点误差、公共点较差最大值点别基本定向点检查点公共点测绘完成后，要对测量结果进行精度测量。该工程以BCORS网络RTK野外实测法检查成果图精度，对30%的外业调绘图进行实地检测，最终对56各个明显地物点，进行图上坐标与实地坐标比对，统计田坎交叉点、山顶、道路交叉点、房角4个类型的高程精度与平面精度。经检验及进一步误差改正，发现测绘结果的坐标误差、高程误差均在允许范围内。对国家行业文件进行分析后，得出测绘图信息内容与实地状况的对照性良好，且测绘图要点清晰、信息全面。
        在对作业工程量完成核算并检查完成工程质量之后，要重点标记存在问题的工程，将DOM成果、DLG成果和竣工图成果以及影响成果等导入系统平台中，完成对试验地域的验收和复核工作，通过运用系统平台完成实时定位，对需要复核的工程精准查找，实现无纸化作业。
        5.结语
        无人机航空摄影测量技术融合了RTK测量GNSS等技术，因成本低、外业测量工作量小、精度高、成图速度快，近些年来大量应用在地形测绘工作当中。本文结合笔者多年的研究实践，引入实例探讨无人机航空摄影测量技术及其在地形测绘工作中的应用，以供参考。具体施工过程中，测绘人员要合理、正确应用无人机航空摄影测量技术，并科学纠正误差，严格谨慎操作，以此来提高地形测绘图的精度。
        参考文献：
        [1]梁运兴.无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用探析[J].科技传播，2018，10（14）：98-99.
        [2]文超.无人机航摄系统的推广及无人机航空加密摄影测量编辑技术[J].自动化与仪器仪表，2018（8）：160-163.
        [3]李涛.天狼星无人机航摄系统在复杂地形测量中的应用与精度分析[J].测绘通报，2017（12）：146-148，152.
        [4]师文杰，张文君.解析无人机航空摄影测量技术在矿山地质环境治理中的应用[J].环球人文地理，2017（8）：81.