无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用

吴枚哲

（四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072）

近些年来，在地形测绘中，无人机技术逐渐替代了载人飞机摄影，形成由无人机+高清摄像机构成的测量模式。相关理论与实践表明，该模式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的应用优势与误差来源

1.1 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。

1.1.1 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。

1.1.2 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[1]。

1.1.3 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。

1.1.4 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。

1.2 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[2]。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。

2 工程概况与方案设计

2.1 案例

该公司受一房地产开发公司委托，测量与绘制面积为3 km2的1 ∶2 000 数字线划地图（DLG）。该地位于该市东南部，平均海拔500 m，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。

2.2 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。

作业时，共采用4 架无人机，最大飞行速度80 km/h，相对航高500 m，共有6 条飞行航线，航飞面积覆盖3 km2，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。

3 无人机航空摄影测量技术在地形测绘中的应用

3.1 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 ∶10 000 的地形图中，加密点的距离至少为1 mm。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，每像对增加加密点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700 m，共有2 架次飞机，27 条航线，航程共计320 km，时长3 h，总共拍摄照片2 200 张。

3.2 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。如图1 所示。

3.3 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]。

图1 DOM 局部效果图

3.4 精度分析

分析与调整图像误差的时候，可以按照表1 数据进行处理，确保最终结果的精准度。

表1 基本定向点残差、检查点误差、公共点较差最大值

测绘完成后，要对测量结果进行精度测量。该工程以HBCORS 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，具体见表2。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。

表2 测量结果精度统计

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。

4 结语

精度是地形测绘图的灵魂，无论采用哪种设备、哪种测量方式进行地形测绘，都要将精度作为第一关注点。无人机航空摄影测量是先进的测绘方式，本身就具有很好的可靠性，主要包括像控点布设、空三测量、数字化测绘、外业补测等多个应用流程，同时也包括不同测量误差，有些误差可通过一定的数理公式进行纠正，有些误差则需要依靠测绘人员的谨慎操作进行控制。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。