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消费级无人机在大比例尺地形图测绘中的应用研究

发表时间：2021/9/7 来源：《城市建设》2021年9月上17期作者：张巍

[导读] 无人机摄影测量近些年来发展迅速，在多行多领域均有应用。本文主要以消费级无人机为研究对象，通过阐述无人机测量原理和作业流程，以实际项目为背景，对该方法生产的地形图进行精度检测，结果表明，消费级无人机生产的大比例尺地形图，可以满足1:1000地形图精度需求。

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摘要：无人机摄影测量近些年来发展迅速，在多行多领域均有应用。本文主要以消费级无人机为研究对象，通过阐述无人机测量原理和作业流程，以实际项目为背景，对该方法生产的地形图进行精度检测，结果表明，消费级无人机生产的大比例尺地形图，可以满足1:1000地形图精度需求。
关键词：消费级无人机；大比例尺地形图；精度分析
        0引言
        无人机摄影测量是近些年来发展起来的一项新的测绘技术，尤其是倾斜摄影测量、近景摄影测量、贴近摄影测量等的发展，将摄影测量推到了新的高度。然而，摄影测量设备目前价格较昂贵，对于大多数企业来说，采购该设备资金有限，因此小型无人机、挂载单镜头成为了众多企业的首选。在小型无人机领域里，大疆无人机扮演者非常重要的角色，由于其成本低、易上手，大多数企业公司都采购大疆无人机。本文以大疆无人机挂载单镜头相机为例，阐述了摄影测量的原理和常规作业流程，并以项目为背景，对其精度进行检测，结果表明，消费级无人机可以满足1:1000地形图测绘精度要求，可为大比例尺地形图数据的生产提供新的作业思路。
        1无人机摄影测量原理
        无人机摄影测量是指在无人机上，搭载量测数码相机或非量测数码相机，从空中对地面进行近似垂直摄影。在拍摄过程中，飞机上搭载的GPS/IMU设备，可以获取相机曝光时的位置和姿态，得到一定精度下的相机位置数据和姿态数据。结合摄影测量中的共线方程，利用地面控制点，可以将POS坐标系下的空三加密成果转到控制点对应的坐标系统下，实现坐标系的转换。这样，得到的成果是大地测量坐标系下的，可以用于后期测绘数据的生产。比如基于空三生产大比例尺地形图，生产DSM、DEM、DOM等，也可利用单镜头影像生产实景三维模型。
        2无人机摄影测量作业流程
        无人机摄影测量作业流程可以分为外业和内业两部分，外业主要是测区踏勘和已有资料收集，像控点喷涂和采集，航线规划和影像数据采集；内业主要包括航飞数据成果整理，新建工程和数据加载，空中三角测量解算，4D产品生产，实景三维模型生产，成果质量精度检查，具体流程见图1。

图1 无人机摄影测量作业流程图

        3项目验证
        3.1测区概括
        测区位于四川某区域，属典型的山地高山地，测区内高差150米。结合测区地形，选择大疆无人机进行数据采集，分成3架次进行作业。按照8cm地面分辨率进行航高设计，任务区面积1.5KM2，采集照片数1245张。
        3.2像控点喷涂和采集
        首先利用红色油漆，按照300间距均匀布设7个控制点，5个检测点，利用GPS-RTK采集坐标点位，每个点均采集3次，3次较差要求小于1cm，采集状态要求必须是固定解。采集的坐标均是平高点，在采集坐标时，对坐标点位进行拍照，提供给内业，便于精确判别点位和转刺控制点。采集的检测点主要是用来检测空三成果精度和后期的数字线划图精度。
        3.3空中三角测量解算
        利用PIX4D软件，新建工程，将影像数据和POS数据导入软件中，选择低精度空三，首先检测该数据能否正常进行空三解算。然后设置高精度空三，进行空中三角测量解算，得到POS坐标系下的成果。由于后期输出成果是2000国家大地坐标系，按照高斯克吕格3度带进行投影，这里结合测区，选择中央子午线为105度。空三解算完成后，查看空三报告，报告中显示该成果可用，精度较高，进行下一步作业。
        3.4控制点转刺与平差
        在空三加密成果的基础上，导入控制点坐标进行控制点转刺。该成果要求高程为1985国家高程基准，因此需要对大地高进行异常值改正，得到对应的85高。控制点转刺完成后，需要进行重新优化，让控制点对空三成果进行调整，得到控制点坐标系下对应的空三成果，查看平差报告，精度符合规范要求。
        3.5基于立体像对采集数字线划图
        导出未畸变照片，利用航天远景MapMatrix4.2创建工程，将PIX4D空三成果恢复到远景软件中，在立体环境下，用检测点检测空三精度，确保精度合格后，按照规范要求，进行1:1000地形图采集。
        3.6基于DSM+DOM采集数字线划图
        空三精度合格后，设置DSM输出格网间距为1米，DOM输出分辨率为0.1米，得到DSM和DOM成果后，在EPS软件中，将DSM和DOM叠加，从而得到三维DSM数据，该数据具有DOM纹理信息，可以直接在裸眼环境下进行1:1000地形图数据采集。
        3.7基于实景三维模型采集线划图
        利用ContextCapture软件进行实景三维模型数据的生产，空三精度合格后，生产OSGB格式三维模型。利用南方CASS3D软件，在OSGB模型成果上进行1:1000地形图采集，其中平面部分可加载正射影像，在正射影像上进行采集。
        3.8三种方式生产的线划图精度检测与统计
        利用5个检测点，对三种方式生产的地形图成果精度进行检测，检测结果见表1。

        从表1中可以看出，三种方式生产的地形图，精度最高的为基于空三成果，其次是基于实景三维模型，精度最差的为DSM+DOM。但是三种方式精度都可以满足1:1000地形图精度规范要求，可以用该方法生产大比例尺地形图。
        4结束语
        本文基于消费级无人机，对无人机摄影测量原理进行了阐述，对作业流程进行了说明，并以实际生产项目为例，分析了三种不同方式生产的地形图精度均可以满足1:1000精度要求，且基于空三成果采集的地形图精度最高，基于DSM+DOM采集的精度最低，可为同行作业人员提供新的作业思路。
参考文献
[1]丁波.消费级无人机倾斜摄影空中三角测量及三维模型精度分析[D].北京建筑大学，2020.
[2]魏军，曹琴.基于倾斜摄影采集立面图方法的研究[J].数字技术与应用，2020,38（1）：46+48.
[3]缪玉周.消费级无人机倾斜摄影测量技术在构建城市真三维模型中的应用研究[D].东华理工大学，2018.