无人机航测法生产1:500比例尺DLG的研究

黄喜才

哈尔滨市市政工程设计院有限公司，中国·黑龙江 哈尔滨 150001

1 概述

1.1 研究背景及意义

随着无人机技术、全数字摄影测量技术的迅速发展，航空摄影测量的优势越发显著，与传统测量相比，航测成图速度快、工程周期短、生产成本低，尤其大面积作业时优势更为明显。中国和国际上对航测法生产1:500 DLG 研究范围比较广泛，根据不同的无人机型号、航摄镜头参数，所采取的技术方法各不相同。笔者立足从生产实际出发，根据我院现有的无人机及航摄镜头，通过反复对立体测图各个环节的试验，研发出切实我院的无人机生产1:500 DLG 的核心技术，再结合野外实测法，总结出了高效性、实用性的测绘方法。提高了我院的测绘科技水平，进而增加了测绘生产效益。

1.2 主要研究内容及实施方案

1.2.1 解决的关键技术问题

（1）像控点的布设与采集，像控点的精度和密度影响空中三角测量的精度。

（2）选取航摄的重叠度、相对航高，提高航摄影像的质量[1]。

1.2.2 实施方案

（1）航空摄影测量定义

航空摄影测量指的是在飞机上用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合像片控制测量、空中三角测量、立体建模、立体测图、像片调绘和航测内业等步骤，获得地面研究区域的各种比例尺、不同类型的地形图、实景三维模型数据，并为各种数据库提供基础数据。

（2）航空摄影测量基本工作原理

航空摄影测量单张像片测图的基本原理是中心投影的透视变换。

透视变换是指利用透视中心（镜头中心）、像点、物点三点共线的条件，即共线方程。

立体测图的基本原理是投影过程的几何反转。

几何反转是根据光路可逆性，由所摄像对建立其几何立体模型的原理。

（3）航空摄影测量技术流程

图1 基于倾斜摄影技术生产城市大比例尺地形图的技术流程

（4）航空摄影选取的设备

本科研项目航空摄影采用的飞行平台是MD4-1000 四旋翼无人机（德国），航摄仪是安尔康姆公司研制的五镜头型倾斜摄影平台，航摄具体参数如图2所示。

图2 md4-10000 倾斜摄影云台技术参数

（5）项目执行规范

CJJ/T 8-2011《城市测量规范》

CH/Z 3005-2010《低空数字航空摄影规范》

CH/Z 3004-2010《低空数字航空摄影测量外业规范》

CH/Z 3003-2010《低空数字航空摄影测量内业规范》

GB/T24356-2009《测绘成果质量检查与验收》

CH/T1016-2008《测绘安全生产作业规程》

2 像控点的布设与采集

像控点是倾斜摄影测量空三加密和外业补测的基础数据，因此，野外像控点目标选择的好坏和指示点位的精确程度，直接影响成图的精度[2]。

（1）布设原则：①像片控制点的目标影像应清晰易于判刺和立体量测，选在交角良好（30º～150º）的细小线状地物交点，明显地物拐角点，高程控制点点位目标应选在高程起伏较小的地方。②平面控制点航向间隔基线数不大于6 条，旁向间隔的航线数不大于4～5 条，高程控制点航向间隔基线数不大于4 条，每条航线布点。

根据布设原则，结合本项目实际现状，经过多次在测区布点实验，总结像控布点规律如下：①小于5 万m2的小块区域，在区块四个角点处和中心位置各布设一个像控点；②大于5 万m2的区域，除区块拐角布设像控点外，其他区域每隔150～200m 布设一个像控点；③像控点位置选用布设地标点与明显地物点相结合的方式。

（2）像控点的测量采用RTK 野外实测。测量时必须做到对中杆圆气泡居中，本项目的像控点量测采用平滑采集（设置采集10 次），每个像控点必须测量3 次取平均值作为最后像控点三维坐标成果。平面位置中误差不超过图上0.1mm，这样保证了每个像控点的外业实测精度，为内业空中三角测量提供可靠基准。

（3）本项目成图面积0.8 km2，共布设平高点26 个，每个像控点点平面精度优于5cm，高程精度优于5cm。

3 航摄重叠度、相对航高的选取

无人机航摄采用的相机一般为非量测型全画幅相机，镜头畸变大，尤其是边缘部分，尽管可以根据相机畸变参数对像片进行畸变纠正，但纠正过程中会产生纠正误差，且越往边缘纠正误差越大。所以为了提高像片质量，应加大航摄重叠度，尽可能使用像片中心部分的影像。

航摄像片沿飞行方向上相邻像片的重叠，称航向重叠。两相邻航带间的重叠，称旁向重叠。根据CH/Z 3005-2010《低空数字航空摄影规范》可知，航向重叠度一般为60%～80%，旁向重叠度一般为35%～60%。

像片的重叠度越大，可利用像片中心部分就越小，像片的质量就越好。同时像片的数量就会越多，选取合适的航摄重叠度尤为重要，既能满足影像质量要求，又能提高航摄效率。本项目经过反复试验，最后总结出主城区生产1:500 比例尺DLG 航向重叠度选取80%，旁向重叠度选取60%。

相对航高：航摄仪镜头中心到某一基准面的垂直距离，用符号H 表示。

数字影像的分辨率：影像分辨率是决定影像对地物识别能力和成图精度的重要指标。

对影像而言，影像分辨率通常是指地面分辨率，一般以一个像素所代表地面的大小来表示，即地面采样间隔（GSD），单位米/像素。其中，数字航空摄影的航高计算公式为：

式中：H——摄影航高，单位为米（m）；

f ——镜头焦距，单位为毫米（mm）；

a ——像元尺寸，单位为毫米（mm）；

GSD——地面分辨率，单位为米（m）。

对于本项航摄仪目使用的无人机及而言，f 和a 是固定常数，根据《低空数字航空摄影测量内业规范》CH/Z 3003-2010 结合试验可知：要生产1:500 比例尺精度的DLG，地面分辨率（GSD）必须小于0.02（m），由上述公式可知：预想获取较小的地面分辨率，相对航高尽量小，再结合测区现状最高建（构）筑物高度，本项目选取相对航高为150m。

4 结论

4.1 主要研究结论

（1）像控点位置选用布设地标点与明显地物点相结合的方式。

（2）得出建成区无人机航测法生产1:500 比例尺DLG航向重叠度选取80%，旁向重叠度选取80%。

图3 地物点点位中误差检测图

图4 高程精度检测表

4.2 本项目精度统计

经过项目试点和生产，最终成图精度检测在完成的数据中抽取了0.3m2（约5 幅1:500 标准分幅地形图）样本数据进行了检验。外业实测了房角点、道路拐角点和花坛角点等一、二类地物点共158 个。其中，6 个点因植被茂盛造成三维模型严重变形，内业无法准确采集同名点坐标而剔除。有效检测点共152 个，剔除2 个大于2 倍中误差的粗差点后，剩余150个检测点，经误差统计计算，平面位置中误差为±0.113 m，高程中误差为±0.065m。平面和高程精度均符合项目设计及规范要求。

5 结语

中国和国际上对航测法生产1:500 DLG 研究范围比较广泛，根据不同的无人机型号、航摄镜头参数，所采取的技术方法各不相同。勘测分院立足从生产实际出发，根据我院现有的无人机及航摄镜头，通过反复对立体测图各个环节的试验，研发出切实我院的无人机生产1:500 DLG 的核心技术，经过试验获得像控点最佳布设密度和采集精度，获取最适合的航摄重叠度和相对航高。再结合野外实测法，总结出了高效性、实用性的测绘方法，提高了我院的测绘科技水平，进而增加了测绘生产效益。