无人机航测在大比例尺地形图测绘中的应用探究

赵正军

（云南省水文水资源局西双版纳分局，云南 景洪 666100）

0 引言

在城市建设、农村土地规划、水利工程建设的过程中，大比例地形图测绘工作是非常必要的，但是从实践角度来讲，传统的测绘方式很难满足工程建设对于大比例地形图测绘质量、测绘效率的需要。航空测量是现代技术革新之后最先应用于大比例尺地形图测绘的技术，在当时极大地提升了大比例尺地形图测绘的质量，但是航空测量在实践中往往需要消耗较多的经济成本与人力资源成本，同时对于测量所在地的气象环境也有一定的要求，其限制条件比较多。无人机航测技术是近年来比较流行的技术类型，其在实践中很好地结合了航空测量的优势，并避免了成本高、条件要求高等缺点，广泛应用于工程测绘活动中。

1 无人机航测的发展与基本构造

20 世纪70 年代，Przybilla 等第一次把摄影摄像装置搭载到当时的无人机上，并将其应用在测绘领域，虽然这次实验由于技术生疏、理论匮乏而没有达到较为理想的实验结果，但是却真正开创了无人机航测的历史，也是现代测绘史上的一次重大革新，标志着无人机航测时代的正式到来[1]。在2010 年之后，我国学者充分吸取了国内外的无人机航测技术经验，并将低空无人机应用在大比例尺测图的实例研究中，通过数据精度分析可知，其结果基本能够满足国家关于地图测绘精度的相关要求，由此，低空无人机航测技术就开始广泛运用于大比例尺地形图测绘，为我国的工程建设、城市规划设计、水利工程建设等活动提供了技术保障。

无人机航测系统主要包括以下3 个子系统：①空中控制系统。该系统的主要构件包括无人机主体、遥感传感器子系统（主要包括信息获取设备、信息传输设备）、遥感空中控制器子系统（主要结构为GPS 接收天线）。②地面控制系统。主要包括数字接收子系统、无人机航线规划子系统、地面站系统等。地面控制系统在无人机航测系统中的作用十分重要，不仅是无人机控制的中心平台，同时也是数据承接、转移的重要枢纽。③后期数据处理系统。该系统的主要构件包括工作站、数据处理软件、数字摄影测量软件等。后期数据处理系统在整个无人机航测系统中的作用十分关键，是决定无人机航测数据满足精确性要求的最直接因素[2]。典型的无人机航测设备如图1所示。

图1 典型的无人机航测设备

2 无人机航测的技术优势

2.1 反应灵敏

反应灵敏是无人机航测技术相对于传统测绘技术的首要优势。具体而言，在大部分测绘情境下，其地形的复杂性均较强。以传统的航空测绘方式为例，为了保证人员、器材的安全，操作人员需要将飞机长时间维持在高空飞行状态，这种操作方式对于测区气候环境的要求偏高，雨、雪、风、雾天气都可能对航空测绘的精确度造成比较严重的影响。与航空测绘技术相比，无人机航测技术并不需要较大的起降平台，其体型小巧，可以凭借旋翼实现小范围的垂直起降，同时，体型小还意味着无人机能够轻松穿梭在各个复杂地形之间，也能够在复杂地形中以低空飞行的姿态获取精准的观测数据[3]。

2.2 时效性强

时效性强也是无人机航测独有的技术优势之一。具体而言，在无人机技术未普及之前，大比例尺地形图测绘项目普遍采用的是卫星遥感数据测绘法，这种方法虽然能够获取较为精准的影像数据，但是在实践中却存在获取时间长、数据内容时效性差等问题。而无人机航测技术能够有效规避这一缺陷，在实际操作过程中，技术人员通过操作无人机能够在短时间内将测区的地形图像拍摄下来，并快速完成数据的分析与处理工作。根据相关调查数据显示，在正常测绘情境中，无人机平均每天可以完成30 km2左右的测绘任务，能够快速填补航空测绘中存在的小范围精度不足的问题。

2.3 成本较低

成本较低也是无人机航测独有的技术优势之一。具体表现如下：①与传统人工测绘技术相比，无人机测绘技术虽然在前期需要支出上万元进行整套设备的购置，但是其在实践中有着远超人工测绘的工作效率与精确度，且机器的使用寿命也较长，这就可以降低无人机测绘的综合测绘成本。②与航空测绘相比，无人机无论是在硬件购置、单次测绘成本支出方面都具备较强的价格优势。根据相关调查数据显示，在执行同等规模的测绘任务时，无人机测绘技术的综合成本（主要包括机器购置成本、时间成本、人工成本等）远低于人工测绘、航空测绘等技术[4]。

2.4 适用性强

适用性强也是无人机航测独有的技术优势之一。具体而言，大多数大比例尺地形图测绘技术都具备一定的局限性，如人工测绘效率低、航空测绘要求多等，与这些测绘技术相比，无人机由于小巧的外形，很难受到复杂地形、云层等外界环境的影响，在大多数地形以及气候条件下都能够保持较高的精确度，这对于追求工作效率的工程建设活动来讲是非常重要的。

3 无人机航测的基本流程

3.1 地面站、像控点设置

地面站、像控点设置是无人机航测活动的首要流程。具体操作流程如下：①技术人员在现场设置地面基站，并在其中安装视频显示器、数据分析仪器、信息传递等设备。②从理论角度讲，无人机航测能够适应大多数的测绘场景，但是在实际运行过程中，较为恶劣的天气以及极端高度也会对无人机的测量精度造成影响。针对这种情况，技术人员必须在测量活动正式开始之前，结合测区的地形、面积、路况因素，确定控制点的位置、数量、分布，并保证控制点精密度在2 cm 以下以及网络的正常运行，这是无人机航测精确度能够得以实现的重要条件[5]。

3.2 影像数据的采集与整理

影像数据的采集与整理也是非常重要的，具体操作流程如下：①对无人机机身、机载摄影设备状况、存储区域、信号传递器进行全面检测，确保数据获取与传输的稳定性。②使用特定软件对无人机的测绘区域、具体航线进行预先设定，例如，ALtizuree软件就可以满足这一需求，值得注意的是，当测区的地形变化比较明显时，技术人员就应该根据不同区域特征，对无人机的高度、飞行航线分别进行设定。③注意控制影响重叠度。

3.3 数据的综合处理

数据处理是测绘工作想要获得精准数据的必要手段。具体操作方式如下：①对无人机传输的图片数据进行初步分析，选出合适的控点照片以后将其进行分组，每个组次留六张照片，尽量将照片保留在建模照片当中。②采用软件对照片本身进行处理，即先选出精度较高的照片，再对像控点数据的刺点进行处理。③对数据进行统一计算，具体方法可采用三解法、点云加密等。

3.4 地图绘制

地图绘制是无人机航测活动的最终流程。具体操作方法为：①技术人员对取得的所有数据进行计算，得出数字正射影像图（digital orthophoto map,DOM）数据。②技术人员将数据输入ArcGIS 软件，并对数据中存在的树木、河流等内容进行分层模型建设。③将软件得出的建模结果与矢量化特征进行比较，最终得出准确的测绘地图。

4 实例分析无人机航测在水利工程中的应用

4.1 测区概况

本次工程的种类属于违法行为智能化监测系统，旨在保障某自然保护区水库免受偷猎、电鱼、恶意破坏公共财物等违法行为的困扰。该工程水库控制约36 000 km2的流域，年平均发电量能够达到6.23 亿kW·h。从地形地貌角度来看，该水库的地形起伏状况明显，其最高处海拔达到826 m，而最低处海拔仅14 m。

为了充分把握这36 000 km2的地形地貌以及空间特征，进而建设效率更高的检测系统，相关工作人员利用无人机航测技术对其进行了大比例尺地形图测绘，并将其作为水库初步划界的依据。

4.2 设备选择与基本工作思路

为了满足该地区大比例尺地形图的测绘需求，本次测绘活动采用了大疆8 旋翼无人机飞行平台对水库进行拍摄。该设备具备以下两点优势：①机身体积小，设备灵活性强；②影像分辨率高，地面分辨率差异一般在0.05 m 的水平线以下，能够满足测量精确度要求。

为了适应该地区地形起伏状况明显、面积较大的特点，本文初步设计了以下工作思路：①该地区最高处海拔达到826 m，而最低处海拔仅14 m，为了解决这一地形差异问题，技术人员对水库测绘场景进行了分离，将其区分为丘陵、平原两种测绘场景进行测绘。其中，由于丘陵地区平均海拔相对较高，因此无人机航高设置也相应调高。②水库整体面积大，为了应对航测活动的经费需求，本文仅对水库区内部面积约为800 km2的区域进行航测。③本次航测正射影像的地理坐标系使用2000 国家大地坐标系，投影采用高斯-克吕格投影的3°分带，数字高程模型选择了1985 国家工程基准。

4.3 数据处理与水库确界

在数据处理与水库确界阶段，本文进行了以下操作：①对内业数据，即无人机拍摄的高分辨率影像进行处理，通过拼接、融合等方式制作1:2000 的水库正射影像图和数字高程模型。②基于无人机数据构建的高分辨率数字高程模型可以得出最终确界的管理区与保护区范围。

通过数据分析可知，此次无人机航测能够满足实际划界需求，同时，最终划定的管理区范围边长倍于最初的划定预期，由此可见，最终确界的管理区在细节上明显更强。通过与初始管理区进行对比，笔者发现，主干流域大多都被划入了管理区范围，在细节上更贴合流域边界，能够有效满足后续的地形判断与工程建设需求。

4.4 违法嫌疑区数据解析

本文对无人机测定的数据、影像进行了全面分析，利用全卷积网络（fully convolutional network,FCN）中的FCNˉ16 模型实现了对示范区的影像分类。具体操作方式如下：①根据数据制作标签，通过256×256 滑动窗口，以100 为步长进行裁剪，最终得到了7263 张样本数据。②对这些样本数据进行调整，操作方式为镜像翻转、90°、180°、270°旋转，采取数据增强的方式扩大样本数据的总量，该做法的目的在于降低训练样本对人工的依赖，通过这种方式，得到36 315 张样本数据，其中，随机抽取29 052张数据进行训练，其余7263 张用于验证数据的准确性。

将上述得出的训练模型应用到分类中，就可以得到水库示范区的分类图，通过这种方式得到的地图具备较强的精准性，能够切实指导相关工程建设。根据数据内容，得出示范区的违法嫌疑区数量为26，其中，数量最多的是网箱养鱼、开垦两种违法行为，而北江沿岸位置存在11 处，其种类多为开垦，支流部分存在15 处，其种类多数为网箱养鱼。由此可见，无人机航测技术在水利领域也能取得比较不错的效果。

5 结语

纵观全文，无人机航测技术在大比例尺地形图测绘中的应用具有技术优势，包括但不限于反应灵敏、时效性强、成本较低、适用性强。在水利工程领域中，利用无人机航测技术能够有效反映测量所在地的外表形状、地质特征，有利于水利工程设计、建设人员掌握全局的大部分空间关系。相关单位可以参考本文的研究内容，并充分结合自身在大比例尺地形图测绘中的应用需求，在实践中不断总结经验，只有这样才能让无人机技术更好地服务于各行各业，尤其是水利工程的测绘工作。