无人机航空摄影测量大比例尺地形图方法探讨

刘建兴 乐美燕

（江西省核工业地质调查院，江西 南昌 330038）

1 引言

大比例尺地形图测量是城市规划设计的基础工作，其成果数据是城市建设的基础资料，为政府决策、城市建设、规划设计提供依据，对我国城镇化建设有着举足轻重的作用。随着航空航天的快速发展，无人机航空摄影技术在测绘领域也得到广泛应用，其机动灵活、操作简便、快速高效的优点获得测绘行业的青睐[1]。本文以江西省莲花县全域1∶1000 比例尺地形图测绘为例，通过实施生产，获取了满足精度要求的地形图成果，对其施测方法予以分析和探讨。

2 实验区概述

莲花县全域1∶1000 比例尺地形图测绘项目于2017 年1 月进场作业，历经外业航飞、像控测量、内业空三及测图、外业调绘与补测等工作，8 月底结束所有工作任务，共完成1070 平方公里范围1∶1000 航测数字化成图工作。因时间紧、任务急，项目采用低空无人机航空摄影系统开展航空摄影作业，确保在较短时间内获取项目范围内高精度航空摄影影像。

3 无人机航空摄影测量

无人机的快速发展，使其在各行各业都受到用户的青睐，特别对航空摄影测量进行了很好的补充和拓展，无人机航测的应用范围也越来越广泛。在地形测量中，无人机航空摄影测量技术凭借便携灵活、高效快速、生产周期短等特点，能够快速获取大比例尺地形图。同时，在保证产品高精度的基础上，极大减少了外业作业量，节约了人力、物力、财力。

项目以莲花县为测区，设定飞行路线进行航空拍摄，以及像控点的布设、测量与整理。利用数字摄影测量系统进行全自动空中三角测量，生成加密成果。然后，在此加密成果上生成DEM、DOM 产品，最后进行立体测图和外业调绘，生成最终地形图。无人机航空摄影测量作业流程如图1 所示。

图1 无人机航空摄影测量作业流程

3.1 航摄平台及航线设计

本次航摄采用大白2 无人机平台，搭载NIKON D800相机和UP30型飞控系统，搭配地面站控制系统（如图2 所示）开展无人机航空摄影测量数据采集。

图2 航摄平台设备

无人机机长2.2m，翼展2.8m，任务载荷10kg，续航3 小时，支持滑跑、弹射等起飞方式，可随时随地起飞；NIKON D800 相机有效像素3600 万，相机焦距35mm，相机镜头经有检测资质部门检核后，能满足测绘工作需求，航摄能获取高分辨率影像，已在航空摄影测绘工作中普遍应用。

为了满足1∶1000DOM 制作及航测成图精度，无人机飞行的绝对高度预设为300 米，相对飞行高度设置为260 米，航向重叠为80%，旁向重叠为40%，旋偏角不大于8°，最大值不超过10°，倾角不大于2°，最大值不超过4°，具体参数如表1 所示。

表1 航线设计参数

3.2 像控点测量

像控点应选取在像片重叠区域，距像片边缘不得小于1.5cm，且容易识别的位置。像控点平面坐标采用JXCORS 测量，像控点高程测量采用GPS 二次曲面拟合高程方法测定，由测区内的C 级GPS 控制点三维坐标求得转换参数，在测量系统内实时拟合改正。像控点坐标成果必须在固定解状态下观测两次以上，并取平均值作为最终像控点坐标数据，保证像控点测量成果精度均符合1∶1000 成图精度要求。

3.3 空三加密

利用GodWork/INPHO 系统的自动空三加密模块，将外业原始影像、航摄参数、控制点等数据导入系统，得到外方位元素和空三加密成果。其中利用光束法区域网整体平差法进行平差[2]，利用检查点对平差结果进行精度检验，最终得到的空三像点精度优于2/3 个像素，成图精度满足1∶1000DOM 精度。

3.4 DOM/DEM 生成

在GodWork/INPHO 系统中，导入空三成果恢复立体模型，利用自动匹配功能生成高精度DSM，并设置参数进行保留山体、去除房屋、提取水域等操作，同时导入采集的特征点、线文件，对DSM 进行修正得到反映地面特征的DTM 数据；对模型DTM 进行编辑及自动拼接生产作业区域DEM 数据。利用DEM 成果对原始影像进行正射纠正，通过自动生成的镶嵌线对测区的模型正射影像进行无缝拼接，之后对测区不同的DOM进行色彩均衡处理，最终依据项目需求对数据进行分幅裁切修饰[3]，形成标准分幅的DOM 数字化产品，如图3 所示。

图3 DOM图形成果

3.5 数字立体测图

数字立体测图主要由适普摄影测量工作站完成。首先将GodWork/INPHO 工作站空三加密成果导入，进行测区重建。然后设定正确的影像参数进行立体测图。地形图数字采集的相对定向采用全数字摄影测量工作站自动完成，绝对定向采用空三加密数据导入的方式，避免了机械仪器和人的误差。之后将双线道路、水系和高程点等数据分层导入适普采集系统，再导出为DXF 后统一按照编码与南方CASS10.1 的分层编码对应关系进行批量转换。转换后，对坎线等有向线型进行检核。最后，将初步DLG 成果与正射影像套合输出，形成外业调绘工作底图，如图4 所示。

图4 DLG图形成果

4 外业调绘与补测

外业工作人员利用内业输出的调绘底图进行实地调绘与补测，并对内业采集成果的数学精度进行检测。重点对隐蔽地物、新增地物、遗漏地物和航摄后拆除的地物进行实地检查、补测 ；对地理名称（如村庄名、单位名称、工厂名等）进行调查注记；实地调查完善各等级行政界线位置。 精度检测应均匀选择抽样点位，保证测区成果精度的准确度和完整性。完成外业工作后，内业人员根据外业调绘内容和补测数据，编辑完善地形图，形成最终DLG 成果图。

4.1 工作方法

外业调绘和补测前，应对航摄采集的数据进行野外精度检测，包括平面绝对精度和相对精度。根据航摄工作底图，全面查清隐蔽和底图上缺失的地物，调查地名村名，量测檐廊宽度，对新增或遗漏地物进行补测，以周边明显规则地物为参照，利用钢尺或测距仪进行距离交会等方法施测，实地无法量距定位的地物需采用全站仪极坐标法或RTK 测量法进行测绘，以保证图面与实地相符，确保图形精度。对航摄后拆除或漏摄的地方，均应在调绘工作底图上标注明显删除符号或补测记录，所有内业判读存在疑虑之处，外业人员必须现场核实，并对核实情况作出说明补充，以便内业人员修改编辑，保证图形精度和完整性。

外业调绘与补测的所有地物地貌符号均按《国家基本比例尺地图图式 第1 部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图图式》（GB/T 20257.1-2017）规定执行，若无规定符号的地物地貌则以文字加以说明。根据外业调绘和补测数据，在航测内业采集数据源的基础上对各类信息进行修改补充，最终形成数字线划图。

4.2 注意事项

独立地物要以地物中心点采集，并赋予相应符号表示， 围墙、栅栏等线状地物要判读准位置和方向关系 ；水系设施要标注水流方向，水涯线以航摄时水位测定，河流、沟渠应保证其延续性，在与其他地物相会时注意取舍关系，遇重大库坝应标注坝体材料；交通设施要准确标绘出边界，桥墩、涵洞、路基等需测绘并标注面与底高程；管线走向要明确，取舍要合理，特别对电力线要分清电压强度，共线杆取高一级符号表示；地貌采集要用测标切准模型描绘，宜先测注记点高程，等高线走向合理，坎上坎下需测注高程 ；文字、符号间不能有压盖，逻辑关系要正确，线型地物应做线型规范化，不应打碎，应为线型解释时生成的状态；各种性质注记应放置在其范围居中位置；植被、水田、旱地等面状地物必须呈封闭状态，符号填充以软件生成或美观为准；每幅图都必须均匀实测一定数量的高程点，并尽可能施测在内业标注高程相同位置，便于内业检核与纠正；图形接边必须保证地物要素的位置关系、逻辑关系和属性，不允许强制接边以致地形地貌精度丢失。

5 成果精度评定

为验证无人机航空摄影测量大比例尺地形图的数学精度，在测区均匀选取200 个明显特征地物地貌点，利用JXCORS 系统或全站仪极坐标法对所选点位的平位精度和高程精度进行实地测量，再对实测数据与无人机航空摄影成果图解数据进行对比，得出实测坐标与图解坐标之间的误差值，即可验证出无人机航空摄影测量地形图成果的精度。计算结果如表2 所示，其中ΔX/cm、ΔY/cm 为平面坐标差值，ΔZ/cm 高程差值。

表2 地形地貌点位误差统计

对比可知，所抽样的地物地貌特征点平面位置中误差为45cm ，其中最小误差为15cm，最大误差为86cm；高程中误差为42cm，其中最小误差为18cm，最大误差为77cm。本次无人机航空摄影测量大比例尺地形图成果精度满足《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1000、1∶2000 数字线划图》（CH/T 9008.1-2010）中1∶1000 地形图精度要求[4]。

6 结束语

本文利用无人机航空摄影测量获取源数据，辅以像控测量和空三加密，生成DOM 图形，利用测量工作站处理数据，导出数字线划图，并将之作为工作底图进行外业调绘与补测，进而编制大比例尺地形图。通过实施莲花县全域1∶1000 比例尺地形图测绘任务，验证了本方法操作可行，数学精度可靠，减少了人力、物力，节省了经济成本，提高了工作效率，能快速高效地为政府决策、城市建设、规划设计提供服务。