无人机航测及地理信息技术在地形测绘方面的应用

刘庆林

(安徽省地矿局311地质队，安徽 安庆 246003)

地形测绘是对测量区域的地形、地物等的相对位置在水平面上的投影和高程进行测量，并按一定的标记和符号，以特定的比例绘制成地形图的过程，其成果广泛应用于工程建设、地质勘探、矿山开采、城市规划、用地分析及军事等多个领域。地形测绘发展初期，主要使用测绘仪等进行人工定位测量并绘制图件，随着遥感技术、全球定位系统技术及计算机技术的不断发展，地形测绘工作开始利用卫星及机载测绘系统开展，自此无人机航测技术应运而生并发展壮大，逐渐成为现阶段最常见地形测绘技术[1]。利用无人机航测技术，能快速、精准、高效地获取测量区域的地理信息数据，极大地提高了地形测绘的工作质量和效率。

1 无人机航测及地理信息技术

1.1 地理信息技术

地理信息技术是集地理信息系统、全球定位系统、遥感系统于一体的空间信息系统。其中，地理信息系统是借助计算机的支持，对测量区域的地理信息数据进行采集、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统；全球定位系统是利用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)卫星结合通信技术，采用距离交会原理实现目标坐标、高程的精准确定的技术；遥感技术则是以航空航天设备、摄影技术为基础，利用其搭载的遥感器收集测量区域的地理信息数据，进而获取遥感数据的技术[2]。以上技术相互配合、相辅相成，可广泛应用于地形测绘领域，减少测绘野外作业时间，降低测绘难度，提高地形测绘的效率和精度。

1.2 无人机航测技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)航测是航空摄影测量的一种，主要面向低空遥感领域，其发展得益于无人机技术及数码相机技术的快速发展，航测无人机可分为固定翼无人机(见图1)、旋翼无人机和复合翼无人机，通常由飞行器和遥控器(见图2)组成，具有成本低、精度高、快速高效、灵活机动、适用范围广等特点。其中，固定翼无人机靠动力设备产生的推力经机身固定机翼产生升力，作业时需要以较快的速度保持飞行姿态，其缺点是无法在空中随时悬停，其特性导致作业时无人机距测绘目标较远，获取的遥感影像分辨率较低；旋翼无人机是由其旋翼相对机身旋转而产生的升力保持飞行，三个旋翼以上的无人机称多旋翼无人机，可在空中悬浮，近距离拍摄测绘目标，拍摄获取的遥感影像分辨率高，其缺点是作业时长及速度较固定翼无人机低；复合翼无人机又称垂直起降固定翼无人机，其动力设备既包含固定翼也包含旋翼，集二者的优点于一体，同时解决了固定翼无人机起降难的问题。无人机航测在小范围内测绘工作效率更具优势，广泛应用于地形测绘、工程建设、土地资源调查、地质灾害应急处理、城市数字化建设、新农村及小城镇建设等方面。

图1 固定翼无人机

图2 多旋翼无人机

2 无人机航测技术的特点

2.1 无人机航测作业成本低

传统的人工测量技术主要利用卫星测绘，就同样的测量区域而言，其所需人员、地形测绘费用约是无人机航测的10倍左右，工期则是无人机航测的2倍左右。而无人机航测设备一经采购，其使用寿命较长，维护成本较低，测绘作业所需人工少、效率高，能有效地节省野外测量时间，从各方面来看，经济成本较人工测绘都有明显的优势。由于无人机航测的作业周期短、测绘费用低，可极大地提高相关企业的核心市场竞争力，有助于企业扩大业务量，获得良好的经济效益。

2.2 无人机航测快速高效

采用无人机航测进行地形测绘时，工作人员可按测量区域实际情况设定无人机飞行路线，优化各项设置，合理控制无人机，使无人机在最优状态下垂直或倾斜采集测量区域的地理信息数据，现场作业时间短，获取影像数据高效便捷，能及时对测量区域的地理信息数据进行有效的分析和控制，快速高效地完成地形测绘任务，特别是在大比例尺的地形测绘作业中，能较好地完成质量控制，极大地降低测绘技术人员的工作强度，提高地形测绘的工作效率。

2.3 无人机航测机动性强

传统测绘现场作业时，其高程点需人工到位测量，某些区域如地形险峻、河流湍急、湿地等区域，人工测量难以满足测绘作业需求。这时无人机的机动性强、反应迅速、全面覆盖的优势就完全体现了出来，而且其体积小，单人即可携带运输，现场作业操作简单，对操作场地和周边气候环境等方面的要求也不高，如多旋翼无人机随时随地可完成起飞作业任务，并根据现场实际信息接收情况，对有疑虑的测绘区域及时补测；遇到现场工况确实比较差的情况，无人机也可灵活暂停作业，待现场工况符合作业条件后，继续开展后续的地形测绘工作。

2.4 无人机航测精度高

对于人工测量中无法到达的区域，常规测绘作业中常见的测点间隔过大等情况，都是影响最终地形成图精度的主要因素，无人机航测可无视绝大多数不利环境进行测绘作业，全方位获取测量区域地理信息数据[3]。目前的无人机航测设备均配备精度极高的高清影像设备，在测绘作业中能快速清晰地获取测量区域的地理信息数据，获得的数字影像分辨率高，并且影像中包含了坐标信息即地形测绘所需的重要信息，为地形成图提供高精度的原始资料。同时无人机航测具备高协调性，可同时结合卫星遥感、航空测绘数据，及时与地面控制系统形成互动，及时修正有误差的影像及数据，极大地保证地形测绘数据的精度和质量。

3 当前无人机航测存在的不足

无人机航测技术与地理信息技术结合后获得了快速发展，其优点不言而喻，但同时也存在一定的不足。例如多旋翼无人机总体质量较小，高空风力会对无人机航测作业产生不利影响，造成其飞行不够平稳，导致最终获取的影像数据的清晰度降低；另外无人机设备传感器发展仍存在一定的缺陷，精度不够高，因而影响了航测数据的精准性；同时电子通信技术也是影响无人机航测精度的因素之一。为了提高无人机航测数据的准确性和可靠性，还必须科学规范地开展航测工作。

4 无人机航测技术在地形测绘中的应用

4.1 像控点布设的应用

利用无人机航测进行地形测绘时，像控点布设尤为重要，其布设质量直接关系着测绘质量的高低，因此需要科学合理地布设像控点。无人机航测像控点设置可按测量区域均匀布设，各像控点间应有一定的几何强度，布点应满足规范要求的密度，尽量选择方便查找处理的位置，如房屋角点、斑马线角点、地物交叉点等，当无明显地物或地标时，可以人工喷漆等方式进行标记布点，像控点布设位置应选择清晰易识别、固定不移动、平整无阴影、无外物遮挡的区域。像控点布设的密度应结合测区地形和测绘精度要求确定，对于地形地貌较为复杂的区域，需要适当增加适量的像控点。对于像控点的坐标及高程采集，精度需控制在5 cm以内，通常使用较多的是RTK(Real-Time Kinematic，实时动态定位)方式，在此期间，应保证RTK接收机与无人机网络接入点、端口等一致，以保证获取数据准确可靠。在后期室内资料处理时，可用相关软件导入像控点坐标信息，对控制点进行刺点，对影像数据中不满足要求的像控点进行适当的调整。

4.2 空中三角测量的应用

空中三角测量也称为摄影测量加密、空三加密，其原理是利用已知的像控点坐标，利用摄影测量解析法求解所有影响的外方位元素，要求每个模型的已知点不小于4个。目前大量使用的全自动处理的GodWork空三软件，利用获取的影像自动匹配航向和旁向的像点，并对影像根据外业控制点进行数据处理校准，求得像片的外方位元素，再利用双像或对像空间前方交会法，获取全部加密点的地面坐标数据。在无人机航测作用时，获取的是多个独立的影像，其之间靠连接点来实现，因此除了无人机航测设备的精度、坐标量测系统、现场作业人员的水平之外，影像间连接点的测量精度也在一定程度上决定了地形测绘成果的质量。

4.3 补充测量的应用

在测量区域具体的地形测绘过程中，可能存在无人机航测的盲区，这就要求测量人员根据测区的实际情况分析，科学合理地布置无人机航线及像控点，保证不能遗漏，确保获取的航测数据的完整性，同时应及时地对获取的影像数据进行校核，对出现遗漏的区域及时进行补充测量，同时也可以采用外业调绘的方式，对初步形成的地形资料进行检验分析，以减少和消除误差，更好地保证地形测绘的准确性和可靠性。

5 结束语

随着科学技术水平的快速发展，地形测绘行业在无人机航测领域取得了重大进步，其相对于传统测绘技术，具作业成本低、工作效率高、测量精度高等诸多特点，极大地提高了测绘工作的质量和效率，是一种可大力推广应用的新型测绘技术，为测绘行业的健康可持续发展注入了新的活力。