基于固定翼航测无人机的城市建成区地形图快速更新

杜冲　赵慧　朱磊　李楠

摘要：城市建成区是城市建设发展在地域分布上的客观反映，是智慧城市建设的主要区域。针对城市建成区地物信息丰富、区域面积较大等特点，提出利用国产固定翼航测无人机获取城市建成区高分辨率影像数据，完成建成区1∶500大比例尺地形图快速更新的技术方法，并对成果精度和作业效率进行检测对比。结果表明，该方法在城市建成区地理信息快速更新中具有较好适用性。

关键词：固定翼航测无人机；城市建成区；实景三维模型；大比例尺地形图

中图分类号：P235.2文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.009

0引言

智慧城市建设可以提升城市发展质量和管理水平，是城市信息化深入发展的必然趋势。地理信息数据是建设智慧城市的基础数据［1］，通过构建城市地理信息库，扩展智慧城市时空信息云服务平台，能有效推进城市智慧化成长，辅助城市的信息化建设。地理信息数据具有较强的现势性需求［2］，随着城市建成区规模的快速发展以及信息化建设步伐的加快，作为地理信息数据获取重要手段的无人机遥感技术的应用越来越广泛。

低空无人机遥感技术具有机动灵活、高分辨率、高时效性和运行成本低等优势［3］，利用无人机获取小面积倾斜影像构建实景三维模型的技术已相对成熟［49］。在利用无人机获取影像数据的进一步应用方面，一些学者探讨了利用小型消费级旋翼无人机进行大比例尺地形图制作的技术方法［1012］，以及无人机在土地储备分析、古建筑数字化、露天矿山动态监测、地质灾害分析、水电工程应用等不同场景的具体应用［1318］，丰富了无人机在地理信息领域的深度融合应用经验。

城市建成区是城市建设发展在地域分布上的客观反映，是智慧城市建设的主要区域，具備较完善的居住及市政公用设施，区域面积相对较大。建成区内高层建筑较多，地物类型复杂多样，在进行地形图更新作业时，传统的低空小型旋翼无人机已无法满足高效率任务需求。针对城市建成区大比例尺地形图更新时作业面积大、数据现势性需求高的特点，本文探讨基于国产垂直起降固定翼航测无人机的高精度地形图更新方法，最后通过工程实例对成果精度和作业效率进行了检测对比。

1固定翼航测无人机系统

选用国产“大鹏”CW30垂直起降固定翼无人机航摄系统作为城市建成区影像数据获取平台。该系统由无人机、数码传感器、地面监控系统、数据传输系统及配套软件等组成。CW30无人机为双尾撑布局、后推式油电混动垂直起降固定翼无人机，具有全自主飞行、航时长、速度快、载荷大、搭载设备多元化、结构稳定、可靠性高等特点。其性能参数见表1。

CW－30搭载的CA－503全画幅倾斜相机是目前在中小型无人机上应用像素较大的，最小曝光间隔达0.6s，集成4个倾斜镜头和1个正射镜头，下视焦距为35mm，传感器尺寸为35.9mm×24mm，总像素达2.1亿。相对于小型旋翼无人机续航时间短、飞行姿态不稳定以及作业面积较小等不利特点［19］，CW30无人机的续航时间长、飞行速度快等优势，可满足城市建成区地形图更新时的数据获取任务需求。

2建成区大比例尺地形图更新方案

采用CW30无人机获取建成区倾斜影像数据，基于此创建实景三维模型，并在此基础上进行大比例尺地形图测图工作，完成建成区地形图数据获取与更新。具体流程为：

（1）数据获取。在获取地理信息数据时，首先利用CW－30无人机专业航线设计软件进行建成区航线设计。根据相关规范要求，在进行航线设计时，需要对作业区进行一定程度的范围外扩，以保证三维模型完整覆盖摄区。外扩距离计算公式如式（1）所示：

L=h×tanθ （1）

式中：L为外扩距离；h为航高；θ为倾斜相机的倾斜角度。

（2）数据处理与建模。无人机航飞作业完成后，下载影像数据和机载POS数据，利用地面基站进行POS差分解算，得到影像外方位元素。采用区域网布点方案布设像控点并测量。使用专业三维建模软件生成建成区实景三维模型，并得到最新的正射影像图成果（DOM）。

（3）更新建库。利用生成的实景三维模型进行三维测图，结合已有数据资料和最新DOM成果完成大比例尺地形图数据更新，并对成果质量进行检测，最后进行修补测量与编辑入库。

3工程实例

试验区域位于山东省日照市莒县。为支持莒县城区基础地理信息数据更新工作，利用CW30垂直起降固定翼无人机航摄系统，快速获取莒县建成区面积约65.7km2分辨率0.05m的倾斜影像，基于此构建实景三维模型，完成成图比例尺为1∶500的城区地形图数据更新工作。试验区已有数据和需要更新范围如图1所示。

3.1数据任务设计

使用CW30无人机地面站控制软件CWCommander进行航线任务规划、状态姿态检查、参数设置及任务执行等操作。为满足基础地理信息数据高精度更新要求，旁向重叠度和航向重叠度分别按75%、80%设计，分辨率按0.045m设计，飞行绝对高度为349m，可满足城区航拍作业的安全高度要求。根据摄区形状特点，将摄区划分为1个分区，航线方向按照东西方向敷设。

3.2数据获取与预处理

（1）无人机飞行实施。在确定摄区范围及分辨率要求之后，执行固定翼无人机获取莒县建成区倾斜影像数据任务，经过设备调试、空域申请、航飞作业、数据下载等步骤，获得倾斜影像数据和对应的POS数据。

（2）数据下载及预处理。飞行任务结束后，下载获取的原始影像数据及机载POS数据。利用CW30无人机POS解算软件JoPPS，将地面基站数据与机载POS数据进行差分解算，得到获取影像数据的外方位元素。

（3）数据质量检查。查看获取的影像数据的清晰度、分辨率及饱和度情况，查看有无大面积云、烟、反光、污点等情况，并确定影像质量是否影响后序生产。利用专业框幅式航空摄影质量自动检查系统软件，检查航线重叠度、弯曲度、覆盖度等飞行质量参数。

3.3像控点布设与测量

参考相关标准和规范，按照不高于10000像素间隔均匀布设像控点，像控点不能有明显地物遮挡，需保证相邻摄站的照片均能看到像控点。在确保模型精度的情况下，共布设像控点585个，用于空三加密和检测空三精度。采用基于SDCORS系统的网络RTK技术进行像控点测量，控制点及检测点测量严格按相关规范要求进行，并制作点之记。

3.4三维模型构建

利用专业三维建模软件，采用自动化建模技术制作完成实景三维模型并生成相应范围的DOM。主要步骤包括特征点提取、相对定向、添加控制点、绝对定向、模型创建和修饰等。试验区三维模型瓦片大小设置为250m×250m，输出所需瓦片共计1618个。三维模型成果截图如图2所示。同时，输出数字正射影像成果，格式为*.tif+*.tfw，成果分辨率为0.05m。图2实景三维模型成果截图划定8个检测区，对三维模型成果精度进行检测。以某检测区为例，用网络RTK实测30个地物点，并与实景三维解析同名点进行精度对比，统计结果见表2，满足相关规范要求［19］，可用于后续地形图更新生产。

3.5地形图数据更新

在原有地形图数据及生成的实景三维模型成果上，利用专业地理信息工作站软件中进行裸眼三维测图，完成大比例尺地形图更新。

具体步骤为：

（1）基于新制作0.05m分辨率的DOM，叠加已有1∶500比例尺数字线划图（DLG）数据，通过内业判读方式，发现变化区域。

（2）基于实景三维模型成果，采用裸眼立体采集的方式对已有数据范围内的变化区域或表达错误要素进行修补测更新；对没有数据的新增区域，根据实景三维模型进行全要素数据采集。

（3）对内业无法判读的地物，通过外业调绘进行实地核实确认，最后对地形图数据进行修改整饰。

（4）对完成更新的DLG数据库进行数据质量检查，包括更新采集过程与数据成果结构及精度等，最终完成莒县建成区1∶500地形图最新工作。更新后的数据成果截图如图3所示。

3.6精度检测

分区域抽取检测点进行精度检测。以某区域为例，均匀散点平面点及高程点各50个，经过全野外实测检核，对同名点进行精度比对，结果如表3所示。经对比计算，平面位置最大误差为0.369m，最小误差为0.014m，中误差为0.096m；地物点高程最大误差0.353m，最小误差0.042m，中误差0.105m，所生产的数字线划图数据具有较高精度，满足地理信息数字成果相关规范要求［20］。

3.7作业效率对比

此试验区地形图更新作业效率主要受数据获取效率的影响。将CW30系统与某小型航测型旋翼无人机系统、某国产大型倾斜航摄仪系统做比较，在相同作业面积和数据获取参数要求下，充分考虑天气、空域等其他因素影响，对其他2种航摄系统作业时间值进行修正，得到作业效率对比情况（表4）（其中，根据作业面积及分辨率要求，大型倾斜航摄仪选用直升机作为搭载平台进行设计）。从表4可知，此大型倾斜航摄仪在单位时间内完成数据获取面积最大，工作效率最高。但其飞机租赁费等成本花费往往比无人机系统高很多。

定义获取单位面积的数据所需费用和时间的乘积值为其作业效率的参考值，称为“单位效率费用值”，其计算公式见式（2）。

E=C／S/t （2）

式中：E为单位效率费用值（万元·h/km²）；C为任务完成费用值（万元），在不考虑设备折旧情况下，其值为人工费用、飞机租赁费用等的和值；S为作业区面积（km²）；t为飞行作业时间（h）。

根据实际使用经验值可得此旋翼无人机系统和大型倾斜航摄仪系统在此试验中的预估架次和工作周期，进而得出其任务完成预估费用。据式（2）可得3种系统的单位效率费用情况。经计算可知，在进行莒县建成区地形图更新数据获取任务时，CW30无人机系统单位效率费用值最低，能达到经济效益和工作效率的最佳结合，具有较好的工程实施适用性。

4结语

通过日照市莒县城区1∶500地形图更新实例，分析了利用国产垂直起降固定翼无人机CW30获取面积较大区域的倾斜影像数据，并构建实景三维模型用于高精度地理信息快速更新的技术流程，最后对更新成果进行了检测。相对于小型旋翼无人机，CW30航测无人机系统具有飞行姿态更加稳定、续航时间更长等优势；相对于大型航摄仪，CW30系统具有操作简单、作业成本较低的优势。该技术方法在城市建成区地形图数据快速获取更新时具有较高的效率和较好的适用性。生成的数据成果精度较高，可满足智慧城市重要区域基础地理信息数据获取及数据更新的需求，对智慧城市建设的具体实施具有参考意义。

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Rapid Update of Topographic Map of Urban Built-up Area

Based on Fixed-wing Mapping UAV

DU Chong ZHAO Hui ZHU Lei LI Nan

（1.Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250102， China; 2.Shandong Institute of Geological Sciences， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：The urban built-up area is the objective reflection of regional distribution of urban construction and development， and is the main area of smart city construction.In view of the characteristics of the urban built-up area， such as rich terrain information and large area. In this paper， technical method of using domestic fixed-wing mapping UAV to obtain urban high-resolution image data has been put forward. Rapid update of topographic map of the built-up area with the scale of 1∶500 has been completed， and the accuracy of the results has been tested. It is showed that this method has good applicability in rapid updating of geographic information in urban built-up areas.

Key words：Fixed-wing mapping UAV; urban built-up area; real scene 3D model; large scale topographic map