无人机低空遥感技术在大比例尺地形图测绘中的应用

刘晓波

（山东省地质测绘院，山东 济南 250002）

无人机具有轻便灵活的特点，在各个领域当中得到广泛应用，在大比例尺地形图测绘中实现遥感技术和无人机技术的密切融合，是提高测绘工作效率与质量的关键途径。我国在无人机低空遥感技术发展中的起步较晚，随着技术投入的增加和应用实践的增多，该技术也获得了高速发展，满足了多角度和多维度拍摄的要求，逐步改善了影像的质量效果，具有较强的可靠性。由于大比例尺地形图测绘工作的复杂程度较高，而且会受到外界意外因素的影响，因此在技术应用过程中应该制定专项方案，以达到测绘工作的高标准要求。

1 无人机低空遥感技术概述

1.1 系统组成

无人机低空遥感系统主要包括了飞行平台、控制系统、遥感设备和数据处理系统等，确保各个子系统的密切衔接与配合，是提高无人机低空遥感系统作业成效的关键。导航器、供电系统和传感器等共同组成飞行平台，可以满足无人机的低空飞行要求，飞行速度最高可以达到160 km/h，而且具有很强的续航能力，可以满足连续性测绘作业的要求。转速传感器和GPS接收机等共同组成控制系统，可以针对无人机的飞行过程实施全面控制，避免造成失稳的情况，这是确保数据获取质量的关键。多个传感器设备共同组成遥感设备，数码相机的分辨率可以满足多种环境下的摄影要求，成像速度也更快，达到实时化校正的目的。数据处理系统可以针对无人机飞行中获取的数据实施整理，降低数据偏差，防止在地形图绘制中出现错误。通信系统的构建，实现了对无人机的有效控制，同时接收无人机飞行中传输的数据信息。此外，发射和回收系统也是无人机低空遥感系统的主要部分，为无人机起飞和降落提供安全保障。

1.2 操作流程

首先，应该做好资料搜集工作。针对测绘区域的相关情况实施全面调查与分析，了解地形地貌信息和周围建筑物情况，确保在正确的时间开展测绘工作，降低外界因素的干扰。在选择起飞场地时应该保持开阔性，避免对无人机的飞行造成阻碍。需要专业人员提前做好勘查工作，防止在飞行期间造成严重的安全问题，以加快大比例尺地形图测绘的进度。其次，应该做好飞行方案的编制工作。在了解测绘区域特点的基础上设计合理的航线，为无人机的飞行创造条件，提高飞行效率，获得更具精确性和全面性的数据信息。做好各类构件的全面检查工作，避免在飞行期间造成损坏，以确保无人机低空遥感系统的良好运转效果[1]。最后，还应该开展质量检查和资料整理工作。针对遥感影像的质量实施全面检查，为数据处理提供可靠保障，剔除其中的异常数据，防止影像饱和度及色彩等受到影响。针对原始数据及飞行数据等实施整理，满足内业处理的要求。

2 无人机低空遥感技术在大比例尺地形图测绘中的应用优势

2.1 提高测绘灵活性

相较于大型飞机而言，无人机具有灵活性的特点，因此在大比例尺地形图测绘中得到广泛应用。通过计算机系统和无人机低空遥感系统的密切衔接，可以更加及时地获取相关影像数据，全面了解测绘区域的地物信息，以便对无人机的飞行情况做出调整，避免对飞行质量和安全造成影响[2]。无人机的重量较轻、体积较小，对于操作人员的要求不高，通过简单的培训就能掌握无人机的操作方法，因此在飞行控制方面也更具可靠性。无人机可以达到人员无法达到的区域，因此能够避免在测绘中出现死角和盲区，提高了技术适用性。

2.2 提升测绘效率

随着通信系统的逐步优化和完善，无人机低空遥感技术应用于大比例尺地形图测绘中可以有效提高工作效率，更加及时地获取地质环境信息，为数据传输和共享提供支持。在传统人工测绘模式下，不仅会加大工作人员的负担，而且数据量较大，难以确保测绘工作的良好进度。而无人机低空遥感技术则能够更加快速地获取现场信息，在完成数据采集后如果存在问题还可以实施补测，以获得更加可靠的数据信息，降低对内业计算工作的干扰。

2.3 加快数据处理速度

航摄遥感技术和无人机技术的有效衔接，是提高传输及处理速度的关键，增强了系统的集成度，有助于在一体化操作中实现高效整合。特别是在很多偏远山区和复杂地形区域中，无人机低空遥感技术可以降低外界因素的干扰，更加快速地推进测绘工作进程，数据在采集后可以及时传输给相关人员，为数据审核和计算分析提供可靠保障。

2.4 保障数据精度

由于采用的摄影设备性能可靠，分辨率逐渐提高，能够达到0.1~0.5 m的测量要求，因此使得数据精度得到改善，解决了传统模式下的图像模糊和饱和度不高等问题。在多角度摄影工作中，高分辨率数码相机的应用效果也较好，有助于更加高效开展倾斜拍摄和垂直拍摄等。此外，GPS系统与无人机低空遥感系统的融合，可以满足地物信息的提取要求，与常规卫星遥感技术相比较而言，细节处理能力更强。

2.5 降低成本投入

相较于传统技术手段而言，无人机低空遥感技术的成本投入也较少，可以创造良好的经济效益。特别是当前无人机生产制造工艺逐渐提高，整体成本呈现出下降的趋势，而且无人机的操作对于人员数量要求不高，因此降低了人力、物力和财力的投入[3]。在测绘工作中应用无人机低空遥感技术，可以避免很多重复性工作，只需要对无人机等设备实施简单维护就能保障良好的运行效果，测绘成本更低。

3 无人机低空遥感技术在大比例尺地形图测绘中的应用措施

3.1 影像获取与质量控制

为了避免续航能力不足而对测绘效果造成影响，在影像获取中应该做好分区处理，明确各个测绘区域的基本特点，制定针对性的技术方案。了解分区内地物和建筑物、地形地貌的情况，尽可能保持一致性，可以降低测绘工作的难度，为数据获取提供可靠保障。以比例尺大小为依据设定最小跨度，结合布点要求在不同分区内实施测量。在前期勘查工作当中，要了解特殊区域的地形地貌状况，严格控制无人机的飞行高度，保持影像获取过程中的安全性。无人机的飞行航线也是决定测绘效果的主要因素，因此应该结合现场环境对航线实施优化及调整，尽可能避开大型水域，如果无法避免则应该在岸上位置设置像主点位。严格控制无人机飞行的质量效果，可以提高大比例尺地形图的质量，应该了解无人机的飞行特点及环境变化情况，做好动态化控制工作。尤其是当气流出现较大的波动时，会对无人机的飞行稳定性产生影响，而且有可能造成倾覆的状况。严格控制相片旋偏角，一般在15°以内，飞行期间避免云层造成遮挡，以提高成图的质量[4]。在航线设计过程中应该针对其弯曲度加以控制，通常在1.5%以内。根据设计参数控制实际飞行高度，误差要控制在50 m以内，相对飞行高差要控制在20 m以内。

3.2 相机检校文件

为了确保测绘的精度效果达到要求，还应该开展相机校验工作，了解光学畸变系数，以提高最终测绘质量。在校验工作中，应该以主点位置和主距、像框坐标系、主距变化情况、偏心常数和成像分辨率等为重点，在三维模型构建中充分发挥二维信息的作用，明确地物信息和像元的对应关系。其中，相机外方位元素和内方位元素是决定计算结果精度的主要因素，包括了坐标与角元素、主距。数码相机在拍摄工作中会造成一定的误差，加强对误差的合理控制也有助于改善无人机低空遥感技术应用质量[5]。明确离心畸变差和径向畸变差对相机拍摄工作的影响，其中径向畸变差的影响最为显著，通过校验的方式可以有效控制误差。

3.3 像控点获取

为了有效处理航拍像片中的偏差状况，还应该设置相应的控制点，以提高大比例地形图的质量状况，与地面坐标系做好衔接。在野外完成控制点坐标和高程的测量，可以采用全野外布点的方式。非全野外布点的方式也较为常用，需要充分发挥空间三角加密技术的作用，做好内业和外业工作的衔接。高程点、平面点和平高点等，是像控点的基本特点，高程数据和坐标数据分别包含在高程点和坐标点当中，平高点则包含以上两类数据信息。大比例尺地形图测绘工作会受到像控点布设效果的影响，只有确保整个控制网的良好状态，才能减少测绘中的偏差。工作人员应该对影像图加以深入分析，在布点过程中避开模糊区域，确保点位清晰性。一般情况下，可以在航向和旁向重叠5片区域内设置像控点，为了防止畸变因素对工作的影响，严禁在边界位置设置像控点，可以充分发挥无人机低空遥感技术的特点。在设定高程点时选择空旷区域，包括了房角线位置、固定石桥位置、平地边角位置和沟渠位置等，避免在布设过程中造成严重的遮挡，移动物体也不能布设像控点[6]。如前所述，非野外布点和全野外布点是当前像控点布设的主要形式，前者实现了内业工作和外业工作的密切衔接，后者可以提高加密点精度，但是工作量相对较大，因此加大了工作人员的负担，随着无人机低空遥感技术水平的提升，非全野外布点方式得到广泛应用。测量控制点后得到相关数据，同时要由内业人员完成加密处理，包括了区域网和航带网等方法。在使用航带网方法时，应该考虑到基线对像控点布设工作的影响，基线间隔由比例尺的大小所决定。而采用区域网的方法时，则应该做好平差处理，根据像对数控制具体的面积大小。在选择像控点的布设方法时，应该了解测绘区域的具体情况，以减轻外业工作的负担，确定切实可行的布点方案。

GPS静态观测的方式在像控点观测中的应用较多，通常情况下，卫星高度角应该不低于15°，而且卫星数量不少于4个，有效观测时长在15 min以上。采集数据时，将间隔时间控制在15 s左右，点位几何图形强度因子应该在6以内。测量像控点坐标时借助于RTK技术，满足GPS-RTK动态观测的要求，提高数据传输质量与效率[7]。将高程点和平面点的误差分别控制在10 cm和5 cm以内，做好编码处理，为后续工作提供可靠保障。

3.4 空中三角测量

空中三角测量也是大比例尺地形图测绘中的关键环境，能够降低外业工作量，充分发挥无人机低空遥感技术的作用，得到更加精确的外方位元素，满足区域网平差的要求。在工作中用到的坐标系类型存在一定差异性，主要包括了像平面坐标系o-xy、像空间坐标系S-xyz、像空间辅助坐标系S-XYZ和摄影测量坐标系A-XYZ、物方空间坐标系等，可以满足坐标参数转换和加密点坐标的获取要求。在立体模型的构建过程中应该充分发挥相对定向的作用，包括了自动相对定向和手动相对定向等方法。成果转换工作的最终质量，往往会受到空中三角加密的影响，需要确保加密点数量达到测绘工作要求，保持良好的精度，降低外业人员的负担[8]。航带法、独立模型法和光束法等，是空中三角测量的主要方法，其中航带法主要应用于小比例尺地形图的测绘当中，在大比例尺地形图测绘中会遇到较大的困难。采用独立模型法时，能够有效提高加密的精度，光束法的成熟度相对较高，尤其是在当前先进技术的支持下获取快速发展，被广泛应用于实践当中。在空中三角测量工作当中应该选择合适的系统和软件，其中DATmatrix软件的应用效果较好，包括了数据准备、工程自动内定向、连接点自动提取和交互编辑等过程。

3.5 DLG量测

DLG量测也是决定测绘工作效果的重要工作，包括了道路测绘、房屋、构造物测绘和桥涵测绘等。在道路的测绘工作当中，应该明确道路的优先等级，做好区域划分，为内业人员提供可靠支持。明确周围路灯和电杆的位置、走向等，划分不同电力线的主次顺序。按照由高到低的顺序完成房屋和构造物的绘制，明确各类门墩和围墙的位置并实施核查，避免在测绘工作中出现疏漏的情况[9]。在图幅覆盖的区域内设置高程点，明确重点地物和特殊位置的高程点信息，包括了测绘区域内的斜坡和桥涵等，保持大比例尺地形图的美观性。

3.6 DOM制作

数字正射影像的构建，是大比例尺地形图测绘工作中的最终环节，及时校正各类像元，确保航片的质量达到测绘要求并实施裁剪。针对影像特征和几何信息等实施全面检查，确保在数字正射影像制作中获得良好的精度。相较于一般的像片而言，数字正射影像采用了固定的比例尺，而且不会造成倾斜误差和投影差。获得的图像色彩更加饱满、均衡，而且对于色差的控制效果更好。采用传统方法，会在拼接影像中遇到较大的困难，而且会对拼接精度产生干扰，采用数字正射影像的方式可以有效解决上述问题，满足了矢量叠加的要求。DEM制作与编辑是DOM制作的关键点，包括了自动空三加密、核线重采样、影像匹配、DEM生成编辑、拼接和正射影像生成等环节[10]。此外，还应该做好DOM的编辑工作，避免出现重影和模糊的情况，应该以原始影像为依据实施调整。在拼接过程中应该做好缝隙控制，降低接边中的误差。

4 结束语

在大比例尺地形图测绘中，无人机低空遥感技术的应用已经十分广泛，不仅能够提高测绘的灵活性和效率，而且能加快数据处理速度，避免数据产生较大的误差，成本投入也相对较低，最大限度保障人员安全。在实践工作当中，应该通过影像获取与质量控制、相机检校文件、像控点获取、空中三角测量、DLG量测和DOM制作等要点的全面把控，充分发挥无人机低空遥感技术的优势及特点，以便在实践工作当中取得良好的测绘成效，保障大比例尺地形图的质量。