【分享】無人機在城市基本地形圖測繪中的應用

摘 要:依託低空無人機航測系統進行1 ∶ 500 大比例尺地形圖數據快速獲取與處理方法的應用研究，簡述了無人機作業的主要工作流程，探討了無人機測圖的關鍵技術。結合廣州市2016 年度基礎地形圖更新項目進行了1 ∶ 500大比例尺地形圖生產與成果精度評定。結果表明低空無人機航測技術在地勢平坦、地形結構較簡單地區滿足1 ∶ 500大比例尺地形圖精度要求，具有明顯的技術優勢和良好的應用前景。

關鍵詞:低空無人機航測; 城市基本地形圖; 快速測繪; 1 ∶ 500 地形圖; DOM

1 引言

城市基本地形圖是進行城市建設、規劃管理、國土資源管理等最基本的基礎地理信息資料。其在城市規劃、建設、交通、管理、社會與公眾服務以及可持續發展研究等眾多領域的作用日益重要，對基本地形圖的準確性、現勢性和覆蓋率的要求也越來越高。

隨著數字化、智慧化城市建設的快速發展，城市基本地形圖如何實現快速有效、實時更新，滿足城市規劃建設需要，是目前城市測繪工作亟待解決的難題之一^[1]。

無人機低空遙感技術是航空遙感領域一個新的發展方向，具有低成本、方便快捷、靈活機動、高效率、高解析度等特點，並已逐步應用於大比例尺地形圖航空攝影測量領域^[2,3]。憑藉自身的技術優勢，可快速、高效獲取高精度、高解析度的影像數據，成為傳統航空攝影測量的有效補充手段^[4,5]。

2 項目簡介

2. 1 項目概況

為滿足廣州市規劃建設需要，實現廣州市基礎地形圖全覆蓋，並建立廣州市基礎地理信息資料庫，更好地為廣州市十三五規劃的實施提供基礎測繪保障，廣州市開展了2016 年度城市基本地形圖更新工作( 1 ∶ 500數字化地形圖測量及數據入庫) ，項目測量面積121.4 km²。本項目生產實踐測區選擇為赤泥C 作業區，航測面積3 km²，如圖1 所示。

圖1 基本地形圖更新項目測區示意圖

2. 2 低空無人機平台

本項目採用TrimbleUX5HP 無人機( 如圖2 所示) ，該系統具有操作簡便、全自動、精度高等特性，系統集成高性能Trimble GNSS 接收機和a7R 全畫幅相機能夠採集高解析度的影像數據。後處理動態( PPK)GNSS 技術可在絕對系統中建立非常準確的圖像位置，有效減少地面控制點，獲得高精度成果數據。

圖2 UX5HPUAV

3 工作流程

無人機航測製作大比例尺地形圖的主要工作流程如圖3 所示。

圖3 無人機測圖主要工作流程

3. 1 作業準備工作

主要準備工作包括: 資料準備、設備準備、相機檢測等。

( 1) 收集測區基礎資料，如基礎地形圖、衛星影像資料、控制成果等，了解測區地理位置及情況。

( 2) 相機檢校，獲取準確的相機內方位元素和畸變參數。

( 3) 飛行平台設備進行檢校與常規檢查確保航攝平台各設備主要技術參數符合規範要求。

( 4) 現場踏勘選擇合適的起降場地。

3. 2 航攝作業

3.2.1 航線設計

UX5HP 飛行航線設計利用Aerial Imaging 軟體完成; 為滿足測圖精度要求，提高飛行效率，本次航線設計採用索尼a7R II 相機35 mm鏡頭，航向重疊度設計為80%，旁向重疊度設計為80%，地面解析度設計為5 cm，航高設計375 m，如圖4 所示。

圖4 航線規劃設計

3.2.2 控制點布設及測量

本項目航測採用地面架設GNSS 基準站，利用PPK 後處理動態差分技術提高定位解算精度。控制點布設按照相關規範要求，在測區範圍內均勻布設地面控制點，利用廣州市連續運行衛星定位城市測量綜合服務系統( GZCORS) 測量像控制點坐標，通過廣州市似大地水準面精化成果轉換為廣州市坐標系坐標，共布設及測量控制點40 個，如圖5 所示。

圖5 控制點布設方案

3.2.3 影像獲取

影像獲取主要包括起飛前檢查、無人機航飛、現場數據整理、檢查等。

( 1) 起飛前檢查

為確保無人機航攝安全，飛機通電後需要進行自檢及嚴格的安全檢查，具體如下:

①gBox 狀態檢查，線纜連接檢查、GNSS 天線視野開闊、gBox 正常啟動、鎖定衛星檢查。

②相機檢查，SD 檢查、相機設置檢查、設置快門速度、清潔相機鏡頭和濾鏡、相機熱插拔線路連接、尼龍扣帶固定、相機觸發器檢查、快門反饋檢查。

③跟蹤器檢查，確保跟蹤器打開、接收器接收信號檢查。

④升降翼檢查，外弦升降翼與內弦升降翼水平檢查、升降翼反應檢查。

⑤發射架檢查，發射架裝配、安全插銷插入發射架、彈力繩力度檢查。

⑥空速反應檢查，確保空速反應正常。

⑦飛機定位檢查，飛機裝配到發射架上，定位螺旋槳位置、飛機位置正確。完成起飛前檢查後，拆除安全插銷，啟用無人機系統，等待系統正常啟動後，即可發射無人機。

( 2) 無人機航飛

無人機起飛後，按照規劃路線升空進行影像數據採集，地面站開始對飛機工作狀態進行實時監控，技術員應時刻關注無人機的狀態、風速、飛機的高度及速度等指標，如發現異常應立刻做出判斷和處理，如正常即按預定線路採集完成後返航降落。項目共航飛9 架次，採集影像數據2 600張。

( 3) 數據整理及檢查

現場對航飛數據進行整理，核查拍攝照片數量與飛行軌跡參數是否一致，是否出現漏拍現象; 檢查照片質量，是否有模糊不清等情況; 現場對航飛成果質量的進行全面、快速檢查、計算航向重疊度、旁向重疊度、生成檢查結果報表等。檢查完成後如存在質量問題則需重新補攝飛行，若無質量問題，則本次航攝完成，如圖6 所示。

圖6 外業航飛質量檢查

3. 3 數據處理與DOM 製作

3.3.1 空三加密

數據預處理主要包括原片檢查、POS 數據整理、控制點數據整理等。預處理完成後利用INPHO 軟體進行空三加密處理。空三加密過程中，在立體像對的點位上選刺控制點，通過控制點點位調整及平差優化，最終從40 個控制點位中選擇了28 個點作為控制點，其餘點位作為檢查點，同時為了增加模型連接的強度，避免由於某一個控制點的誤差過大引發全局性的負面影像，在立體像片上增加一些模型連接點tie point 參與空三平差。經過反覆的點位調整、優化，最終達到平面0.07 m，高程0.06 m的絕對定向精度，如圖7 所示。

圖7 空三加密精度報告

3.3.2 DOM 製作

根據上述空三加密的成果，利用DEM 數據對影像進行數字微分糾正和影像重採樣，生成單片的數字正射影像DOM，由於無人機飛行高度較低，高層地物同名點視差較大，按照相機中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，往往會出現接縫和建築物邊緣扭曲的現象，所以，需要對正射影像的鑲嵌線進行人工編輯，鑲嵌線的選取及

修改儘可能避免穿過大型建築物，選擇紋理不豐富的位置，遠離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實體的邊緣等。同時，對於不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致，如圖8 所示。

圖8 0.05 m 解析度DOM 成果

3.3.3 DLG 立體采編

本項目1 ∶ 500DLG 製作通過航天遠景Map Matrix平台與清華山維EPS 平台的定製與對接，利用EPS 平台進行二次開發，使立體測圖與得到「圖屬合一」的GIS 數據的工作目的同時達成，相比國內目前絕大多數的DLG 生產流程更為高效、先進。

( 1) 數據準備，準備INPHO 空三平差工程文件及無人機原始影像數據，將必要的文件放到同一的文件夾的同級目錄下，如影像ID、外方位元素文件，加密點文件，像點文件等，保持文件前綴名稱一致。

( 2) 新建工程，打開EPS 基礎測繪平台，選擇航測采編模塊，建立廣州市基礎地理模板-500 工程文件。

( 3) 模型恢復，選擇立體測圖菜單，載入立體像對，恢復立體模型。

( 4) 立體采編，掛接外接輸入設備，設置工作區，開始進行數據採集工作。

按照立體模型實際能觀測到的原則進行全要素採集，儘可能對可觀測到的地物按照「內業定位、外業定性」的原則進行數字化跟蹤，外業調繪修編等工作，共編製1 ∶ 500DLG 成果216 幅，如圖9 所示。

圖9 編繪的DLG

4 數據處理關鍵技術研究

4. 1 建築物投影差改正^[12]

本項目通過前期的研究成果，採用一種聯合影像方位元素和物方三維點雲數據的方法，利用投影中心、DSM、DEM 上形成的同名點共線關係，由DSM 物方點利用外方位元素計算出的DEM 像方點之間的高差所構造出的數字高程模型，形成跟隨影像點位同步變化的投影高差模型，此處稱它為影像同步變化的投影數字差模型( image elevation synchronous model， IESM) ，通過該模型採用共線方程解算房屋屋角的三維坐標，從而實現了建築物的半自動投影差改正。由於測區建築主要以低層居民房為主，利用投影差改正模型取得良好效果，如圖10 所示。

圖10 投影差改正原理及效果圖

4. 2 EPS2012 集成二次開發

本項目以廣州市規劃基礎信息化測繪平台EPS2012 為基礎，採用VC 6. 0 開發平台及VBScript 腳本語言進行功能專業二次開發，實現了應用程序層以及全局數學函數庫與控制項庫的動態鏈接SDL( Sunway dynamic linked library) ，快速搭建了基於EPS2012 航測采編平台，實現運行時動態載入或輸入命令載入，如圖11 所示。新開發的EPS 測圖功能集成模塊化管理，通過菜單工具條載入功能，延續了EPS 原有功能界面與操作習慣。同時對數據模板進行標準化封裝，實現1 ∶ 500～1 ∶ 2000數據標準在製圖顯示過程中強制標準化，實現數據生產、製圖輸出、數據建庫、數據應用四者一致性，有效保證數據無異化。

圖11 基於EPS2012 平台開發的測圖系統

5 項目成果與精度分析

基於無人機航攝數據，經上述流程化的處理，得到測區DOM、DEM、DLG 等，為了保證成果精度，對本次航攝測繪的地形圖成果精度進行外業檢測，採用GZCORS_RTK 快速獲取外業檢查點的三維坐標數據，整個測區內施測平面坐標及高程檢測點122 個、距離檢測點83個，利用中誤差計算公式計算出各個檢查點的中誤差，依據計算結果可得( 如表1 所示) ，本次航攝繪製的1 ∶ 500地形圖精度滿足《低空數字航空攝影測量內業規範》的精度要求。可作為基礎測繪成果提供使用。

6 結語

本文無人機航攝測繪大比例尺地形圖生產應用，基於地形結構較簡單、地勢比較平坦地區，經實地檢測，成果滿足大比例尺地形圖精度要求，作業效率也較傳統測量模式有大幅提高，有效提高生產效率，縮短生產周期，加快了內、外業數據成產的一體化作業流程。滿足了項目建設快速完成測繪任務的要求，為大比例尺地形圖快速測繪提供了新的技術手段。

隨著數字城市、智慧城市建設的全面發展，城市規劃及建設對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。低空無人機航攝系統，憑藉低空作業、機動靈活、高解析度、高精度、高效率、低成本等特點，已廣泛應用於城市規劃、低空航空攝影、應急測繪、環保監測、工程勘察等領域。隨著無人機航攝技術的不斷成熟，續航能力、飛行穩定性、小像幅等缺點也將逐步得到改善，使其有更廣闊的應用前景和優勢。

文章來源：勘測聯合網

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