无人机1∶ 2 000带状地形图测量实践

牛 洪 柳

(中国铁路设计集团有限公司测绘地理信息研究院，天津 300142)

无人机航测遥感技术是继卫星遥感、大飞机遥感之后发展起来的一项新型航空遥感技术[1]。近年来，无人机技术得到了长足的发展，在应急测绘保障，国土资源监测以及建立、更新地理数据库，动态监测土地利用情况等方面发挥着积极的作用[2]。然而，无人机航测技术却在铁路勘测中的应用较少，究其原因是铁路勘测对特殊地形、地物的精度要求较高，然而随着计算机、通讯技术的发展，相机分辨率的提高，高频GPS技术的使用，无人机航测技术运用于铁路勘测中地形图的补测也成为了可能，相对于传统航空摄影技术，无人机航测技术拥有的机动灵活、快速响应、低成本、高现时性、高分辨率，受天气机航空管制影响小，能进入危险区域作业等优势可以较好的适用于铁路勘测中的地形图补测工作。本文从单位实际生产项目出发，归纳总结无人机航测技术的作业流程及关键技术，探讨分析无人机航测技术应用于铁路勘测小范围1∶ 2 000图补测工作的可行性，同时也为我单位在无人机航测技术的应用方面积累宝贵经验。

1 飞行计划的制定

无人机的飞行计划由其配套的专业软件一体化制定，并拥有飞行计划的独立文件格式，配套软件制定完成飞行计划后，可将其直接发送至无人机用于飞行，其飞行计划制定的主要内容为航高、偏航角及航带设计。

航测作业范围可以在无人机配套软件上进行设定或者导入外部kml/kmz格式的范围文件进行确定，根据所需地形图的比例尺确定地面分辨率，并结合测区地形进而确定航高，飞机会根据实时地形自动调整飞行高度以保证航高。一般1∶ 500地形图，地面分辨率为3 cm～5 cm；1∶ 1 000地形图，地面分辨率为7 cm～10 cm；1∶ 2 000地形图，地面分辨率为12 cm～15 cm[3]。本实验项目作业面积约为3 km2，补测1∶ 2 000带状地形图，采用的为15 cm的地面分辨率。偏航角主要表示为航线方向，制定飞行计划时可以手动调整到沿着目标区域的最长边方向，即航飞时的最短路径，如果现场遇到大风还需根据风向调整偏航角。

航带设计是指在航高及偏航角设定完成后，进行的航线规划设计。无人机航测的航向重叠度为85%，旁向重叠度为65%[4]，并且考虑到实验类型无人机续航能力为50 min，软件自动规划航飞的最短路径并计算飞行任务完成时间，如果一个架次的飞行无法完成本次任务，则会将本次飞行任务分两个架次进行规划，并保障两次飞行区域的重叠度在20%以上，最后设定最近飞机着陆点。

2 航飞前的准备工作

在无人机上天进行航飞作业前，必须将前期所有准备工作做好，从而避免飞机坠毁，作业无法完成或者错误等事故的发生。本项目无人机相机像素为1 600万，高频GPS RTK水平精度为10 mm+1.0 ppm，垂直精度为15 mm+1.0 ppm，飞机起飞前的主要准备工作如下：

1)飞机遥控器及飞机电池需要充电饱满，内存卡空间应充足；2)地面控制点提前布设，布设此地面控制点主要用于航飞基站架设，故控制点应布设在地势平坦，无遮挡无信号干扰的地方；3)现场组装飞机，如果在雨天飞行时，为避免雨水进入飞机缝隙，可用胶带将组装的螺丝连接处贴住；4)现场架设基站，建立通讯连接和网络连接，即遥控器与飞机的连接和电脑与飞机的连接；5)现场确认飞机着陆点，根据现场情况选择平坦、上空开阔、人烟较少，距离较近的位置为飞机着陆点，现场更新飞行计划的着陆点并将飞行计划发送给飞机；6)飞机起飞前的例行检查：相机镜头盖是否取下，飞机的罗盘、舵面是否正常，飞机是否接受到正常GPS卫星信号，并查看飞机定位是否正确，电池电量是否饱满，飞行计划是否导入。

完成上述准备工作后，便可进行飞机起飞航拍工作。

3 航飞及数据处理

准备工作完成后，即可放飞无人机进行航测工作。本项目采用的无人机可不借助任何起飞道具，而是采用单人手抛式起飞，无人机起飞后在起飞地点上空盘旋一周进行飞机内置参数自检后，自行飞到作业区域并爬升到设计航高进行航拍作业。无人机航拍过程及进度可通过现场的地面监控系统进行实时监控。通过此地面监控系统可以观察到无人机实时航高、偏航角、飞行轨迹、照片张数、电池电量、GPS卫星信号、飞行里程等一系列相关数据，达到了全方位监控。

本项目使用的无人机航测系统的最大优势为相对于传统航测方法，该无人机航测系统无需进行布设地面控制点的工作。因为该无人机航测系统拥有频率为100 Hz的实时差分的RTK模块，并结合精密定时技术来确定每个曝光点的精确位置，从而使5 cm的定位精度完全替代了传统航测的地面控制点布设工作[5]。当无人机完成航飞任务准备飞回时，便会通过无线网络将自主获得的像控点资料发送至地面监控系统。

无人机完成航拍任务后，便会按照事先设计好的着陆点进行着陆，当飞机降落至遥控器控制范围内后，由操控手控制飞机进行安全着陆，飞机着陆后将相片下载并导入数据后处理软件与像控点进行匹配，现场评价数据精度，数据合格后将无人机擦拭、拆分、装箱。

在后续影像处理方面，该软件具有高度自动化集成特点。将基站点三维坐标输入数据后处理软件，根据相机的检定参数，对相片进行畸变纠正处理，最终通过空三加密、平差处理[6]、模型恢复等工作，一键完成DOM,DEM,点云数据及三维模型等数据的生成[7]。

本项目采用清华山维EPSD2D软件进行内业地形数据的采集，主要流程为数据采集、数据编辑、等高线生成、质量检查及成果输出[8]。数据采集和编辑阶段，可利用无人机后处理软件制作生成的平面影像配合三维模型直接进行矢量数据的采集和编辑，不用佩戴立体眼镜便可在影像图上直接描绘，使用较直观、方便和快捷。通过点云数据按照一定间隔提取高程点，便可利用软件自动生产等高线，在成果检查阶段需要对等高线，各地形、地物的矢量、拓扑及位置关系进行检查和修改，最终美化DLG格式数据并入库，最终该软件可以输出国标格式的DLG线画图，用于铁路勘察设计。

4 生产过程中问题分析

4.1 影像中部分地物辨识不清，影像模糊

本次外业航飞制定的影像分辨率为15 cm，设计航高值为582 m，但航飞当天现场有轻微雾霾，加之航飞航高值较大，最终导致部分影像效果辨识度不高，故现场采用调绘的方法对影像模糊的范围进行了现场确认。

目前国内大部分区域都会存在雾霾天气，这对无人机航测影响较大，当无可避免的要在轻微雾霾天气下作业时，作者认为可以适当提高地面分辨率，降低航高值，从而提高影像质量，虽然可能会增加飞行的架次，但却可以大量节约外业工作，尤其是在危险区域。

4.2 采用自动化处理的DSM进行地形图采集存在DSM滤波难度大，测量精度不稳定的情况

虽然自动提取的DSM具有较高的精度，在地形裸露区域提取的高程点精度能够满足1∶ 2 000地形图的要求，但在植被(包括稀疏植被)区或者被植被干扰的区域，DSM滤波难度大，不适应自动生成等高线和高程点。

本项目采用Virtual Surveyor软件，分区域利用DEM生成离散高程点，将提取高程点导入EPSD2D软件生成等高线，此项工作较为繁琐，如果区域遮挡严重或者作业范围较大则此项工作的工作量会大幅增加，基于目前的实验表明，无人机航测技术可应用于小范围的地形测量作业，如在大范围内进行地形图测量，无人机航测技术在立体模型下进行矢量采集受到航片基高比、相机畸变改正及DSM滤波难度大等因素的影响，其测量精度不稳定。如果要适应于立体采集，则需要更加专业的量测相机。

4.3 外业验证无人机航测成果精度

在项目作业区域利用GPS-RTK实测了某些房角和路面高程点，以验证平面和高程精度，具体统计情况如表1所示，空三加密精度及外业检测地物限差如表2所示。

表1 RTK外业实测数据与无人机航测数据精度对比表

表2 空三加密精度及外业检测各类地物限差

由表1，表2统计情况表明，该实验项目使用无人机高频率RTK技术，获取的外方位元素的线元素精度高，空三加密精度满足精度要求，可通过无像控的方式达到较高的精度，通过自动化的多基线处理(高重叠率)匹配处理得到DSM和DOM，并最终通过外业实测检验证明：采用无人机航测技术获得的DSM和DOM能够满足1∶ 2 000地形图测量精度要求。

5 结语

本文通过单位实际生产项目实例，详细阐述了采用无人机航测技术进行1∶ 2 000地形图测量的步骤及内业生产注意事项，并最终通过外业实测数据验证了此项技术能够满足1∶ 2 000地形图测量精度要求[9]，为我单位在无人机航测技术的应用方面积累宝贵经验。