基于无人机系统内外业一体化航空摄影测量方法与流程研究

田奎

摘 要：随着低空无人机摄影测量技术的迅猛发展，利用无人机系统测制1：2000地形图成为可能。本文结合陕西某村的测量项目，详细探讨了无人机大比例尺地形图测制的作业流程，主要包括航空摄影、像片控制、影像预处理、空中三角测量、DEM/DOM制作、地形图测制及无人机航摄影像成图精度分析等。

关键词：无人机 大比例尺 地形图 测量技术

中图分类号：P221 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0000-00

无人机航摄系统具有以下特点：第一，受天气条件和地面状况影响较小，作业方式灵活快速；第二，无人机平台自身构建及其搭载的航摄装备维护成本低；第三，因无人机飞行高度低，所以能够获取高分辨率影像，在地面细节信息获取方面具有较大优势；第四，可根据实际需求调整影像重叠度，大重叠度的影像能够增强后续处理的可靠性；第五，携带方便、转场快。

下面以陕西某村为例，具体说明基于无人机对地观测系统航测绘制1：2000地形图的作业方法与流程。项目采用“1980西安坐标系”和“1985国家高程基准”。主要作业工序为无人机航摄、地形测量（包括四等控制测量、I级控制测量、像控测量、图根测量、野外补测、外业调绘）、空三加密、地形图制作（包括立体采集、矢量数据编辑、DOM制作、DEM制作、质量检查与验收等。

1航空摄影

该村采取东西向飞行，平均航摄比例尺为1：23533，平均地面高度为1350米，相对航高为650米。平均地面分辨率0.13米，满足1：2000成图要求。本次外业摄影时间为2012年6月5日。

2像片控制

2.1 影像资料分析

航线间隔及旁向重叠度在30%～40%之间，航向重叠度在65%～75%之间。全摄区无航摄漏洞，航向超出摄区范围三至六条基线。像片倾斜角<4°，旋偏角<8°，航线弯曲度<3%。无人机航摄系统的飞行质量符合标准要求。同航线高差小于30米，实际航线偏离设计航线不大于像片上10cm。像片位移误差小于30米。航摄影像清晰、无云影等遮挡，色彩均匀，满足设计要求。

2.2 像控点布设及刺点

2.2.1 像控点布设

A.像控点布设：像控点在航线方向上按10-15条基线布设，在旁向上按2-4条基线布设。布设的像控点能够有效控制成图范围，保证测段衔接区域内无漏洞。像控点选刺在航向及旁向重叠有5-6张像片的区域内。B.像控点编号原则：测段像控点编号原则“GP+航片号四位+点序号”。C.像控点布设完成后绘制布点示意图供内业加密和存档。满足空三加密及数字化采集要求。

2.2.2 像控点刺点及整饰情况

刺点误差和刺孔的直经均小于像片上0.1mm，且刺透，无双孔。点位说明确切，略图完整明了，刺孔、略图、说明与实地柱位一致。A、在像片正面用红色直径为7mm的圆形整饰像控点，并注记点号；B、在像片背面用铅笔绘制点位略图和标注文字说明等。

2.3 像控点测量

像控点坐标可以使用全站仪、RTK等常规仪器进行测绘。像控点的精度和施测要求参照常规航测外业规范执行。木次像控点测量采用双频GPS接收机，已知控制点为加密的一级GPS控制点。为保证像控点测量成果的可靠性，在全部像控点测量完毕后撤收参考站。施测现场对点位进行拍照并制作点位信息表供内业加密使用。将检查合格后的像控点数据进行处理，基线处理采用Compass静态处理专业版软件，得到该村片区像控成果。

2.4 像控网精度

该村片区像控网精度统计：（1）线向量检核，同步环、异步环验算：共验算同步环15个，其中环线全长相对闭合差最大为：6.52ppm，限差为：15.0ppm。共验算异步环9个，其中坐标分量闭合差最大为：Wx=4.46cm，Wy==6.46cm，Wz=6.36cm，限差为： =±21.06cm。（2）三维无约束平差：三维无约束平差最弱边相对精度为：1/15267，边名：2174-2173 （边长267 m）。（3）二维约束平差：约束平差最弱边相对精度为：1/17725，边名：2174-2173 （边长267 m）。最弱点为2259，点位中误差±2.03cm，限差为：±20.0cm。

该村片区像控网精度统计：（1）基线向量检核，同步环、异步环验算：共验算同步环14个，其中环线全长相对闭合差最大为：4.48ppm，限差为：15.0ppm.共验算异步环14个，坐标分量闭合差最大为：Wx=-2.32cm，Wy=18.16cm，Wz=-12.55cm，限差为： =±21.06cm。（2）三维无约束平差：三维无约束平差最弱边相对精度为：1/14131，边名：2127-G04（边长545 m）。（3）二维约束平差：约束平差最弱边相对精度为：1/34023，边名：2174-G04 （边长545 m）。最弱点为1187，点位中误差±4.19cm，限差为：±20.0cm。

从上述精度统计情况可以看出，该村片区像控网精度指标满足技术要求。

3 影像预处理

采用无人机航摄系统搭载非量测数码相机进行航拍，相机自身的性能对测量精度影响较大。未经过处理的航摄影像畸变差较大，无法直接用于空三测量等后续处理工作。因此，在影像进行空三加密前，需要先对其进行畸变差改正。在没有室内和室外高精度检校场的情况下，通常是根据非量测数码相机提供的鉴定报告，利用DPGrid系统内的小像幅影像畸变差校正模块对影像进行畸变差改正。

4空中三角测量

4.1 空三加密经过像点连接、像控点量测、平差计算过程

1）量测外控点时，先量测测区四周的6个像控点以后进行平差，其它像控点即可以通过预测的功能驱动到概略位置，达到快速量测的目的。外控点的量测由专业人员进行，并由另外一位专业人员负责检查。2）采用外业工序提供基础控制点参与计算，提升空三加密的整体精度。利用外业工序提供的实测高程点检测空三加密精度。3）完成像控点量测后进行最终的平差解算，首先将物方标准方差权放大，进行粗差的消除，然后逐步提高物方权重，确保探测并剔除全部粗差，最后给予合适的权值强制平差。

DPGrid系统中的空三模块为全自动空三软件。系统根据建好的航线列表进行全测区自动匹配，接下来通过自动挑点程序将粗差及多余的像点剔除。然后，进行连接点的交互编辑，根据量测后的控制点进行光束法平差解算，直到符合精度要求，输出空中结果。

4.2 区域网空中三角测量

根据连接点（加密点）的影像坐标和少量地面控制点的影像坐标及其物方空间坐标，通过平差计算，求解影像的外方位元素和连接点的物方空间坐标，称为区域网空中三角测量。空三测量提供的平差结果是影像后续处理与应用的基础。

5 DEM、DOM 制作

5.1 DEM制作

首先，根据空三加密成果，对无人机航摄的原始影像进行重釆样并生成核线影像；然后，系统自动匹配三维离散点，得到摄区的DSM；最后，经过自动滤波便可得到DEM。虽然DPGrid系统实现了自动匹配，但是由于现实地物的复杂性（如水体、树木、阴影）以及人工地物的影响，所以实际生产中为了提高DEM的精度，需要对DEM进行人工编辑。因为DEM是纠正原始航片的基础，只有准确的DEM才能保证DOM的精度。

5.2 DOM制作

DPGrid系统全自动生成DOM主要包括：DEM数据编辑、影像匀光匀色、DOM纠正、色调均衡及DOM镶嵌。系统生成的原始DOM结果，需经过人工编辑，对色彩和图面进行修饰，以满足DOM成果质量要求。

6 1：2000地形图制作

将影像及空三成果导入到VirtuoZo NT软件中进行测图，根据航空摄影测量内业规范及地形图图式，进行地物、地貌要素的采集。外业调绘人员利用已有的图纸和测图数据，进行实地调绘、修测、补测等工作，得到最终的地形图成果。

7无人机航摄影像成图精度分析

采用GPS快速静态方式获取该摄区外业检查点的坐标数据。选取该片区其中4幅图（占本片区图幅数的10%），共83个检査点。对比这些外业检查点的实测坐标与图上坐标，计算出两组坐标的平面及高程差值。根据点位中误差公式计算出每个检查点的平面中误差。经过整理计算，该片区地物点平面点位中误差为0.72m；高程中误差为0.69m。根据点位中误差计算结果绘制点位误差分布图，绝大多数点位误差分布在0-0.8m之间，其平面精度满足1：2000地形图的要求。

参考文献

[1] 竹林村.几种低空遥感系统对比分析[J].城市勘测.2009，3：65-67.

[2] 姬渊，秦志远等.小型无人机遥感平台在摄影测量中的应用研究[J].测绘技术装备.2008，10 （4） ：46-48.