无人机航测技术在地形测绘中的应用探究

雍李标

摘 要：利用无人机航测技术，能够快速、精准、高效获取测量区域地理信息数据，极大程度上提高地形测绘工作质量与工作效率。以某新建公路地形测绘为例，从无人机航测技术优势入手，全面探讨了无人机航测技术要点，供广大测量同仁阅鉴参考。

关键词：无人机航测；地形测绘；像控点布设；空三测量

中图分类号：P228                                    文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2023）05-0092-03

1 测区概况

某新建公路位于安徽省合肥市，路线全长为22.46 km，被测地形所处地区有低山、丘陵、盆地，整体地形起伏大，部分路段灌木及野生树木密集，通视条件不好。若采用全站仪、GPS-RTK、传统航空测绘等测量技术，往往会受测区环境、复杂地形、通视条件等因素影响导致测量精度降低。而采用无人机航测技术，能够避免上述测量技术的不足，有效提升公路地形测绘的质量和效率。

该测量区域的测绘任务采用无人机航空测量，航飞测绘系统为ZC-Ⅱ，航摄影像设备采用佳能EOS 5D单反相机，传感器为CMOS类型。由于摄影机非量测专用，故在成像几何质量、内方位稳定性等方面不占优势。但通过室内精密控制场进行检校，将测量数据代入平差模型解算，获得可供使用的影像数据。

整个航测按照“外业→内业→外业→内业”进行，具体流程为：①在开展航测前需要进行航飞设计，做好航测路线规划。②正式航测时，先起飞无人机，进行航空摄影，完成航摄后进行外业像片控制点布设与测量。③利用外业测量获取的像片控制点和地形资料，在室内进行空中三角测量、立体测图，获取需要的内业控制点。④结合内业测绘结果开展外业调绘、补充测量。⑤进行成果编辑，完成DEM和DOM制作，并做好质量检查后，提交汇总成果，如图1所示。

2 无人机航测技术优势

2.1 成本低

传统的测量技术是依靠全球卫星定位系统进行测绘作业，以相同区域的测量面积计算，传统测量技术需要的人工成本、测绘费用大约是无人机航测的10倍，而测绘时间大约是无人机航测的2倍[1]。无人机航测设备虽然前期采购费用较高，但使用周期长，维护成本低，摊销后的费用更少，而且测绘时需要人工少、效率高、能克服各种复杂地形的影响，大大缩短野外测量周期。无论是测繪成本还是效率，无人机航测和人工测绘相比，都具有绝对优势。在实践中，应用无人机航测技术能够加快工作效率，扩大市场业务量，进一步提升企业核心竞争力。

2.2 效率高

使用无人机航测开展地形测绘作业时，测量人员可结合测量区域地形条件设计航飞路线，设定无人机飞行高度、速度、路线，编辑好相关参数，控制操作无人机以最佳状态的垂直或倾斜方式进行测量区域的地理信息数据采集。整个测绘流程时间短，且能够精准捕捉影像数据，将测量获取的地理信息传输到后台进行分析和测算，高效完成测绘任务。尤其是在进行大比例、大区域地形测绘时，无人机航测高效、快速的优势更能体现出来。

2.3 机动性好

在传统的测绘中，各个高程控制点需要测绘人员就位测量，如果遇到高山峻岭、险急河流、沼泽湿地等特殊区域，人工无法到达的区域，很难精准完成测量作业。而无人机测绘就能规避这些因素的影响，其机动性好、反应快速，不收复杂地形条件的限制。

此外，无人机体积小，单人背包即可携带、长途行进，现场拼装操作也很简单，对场地、气候等环境没有特别要求。例如，多旋翼式无人机可以就地垂直起降，随时开展测绘作业，且对测绘区域数据存在疑点的能够迅速进行补测。即使遇到现场条件较为恶劣的，也可以先暂停作业，待情况好转后再继续进行，免去人工往来的困扰。

2.4 精度准

复杂地形条件下，遇到传统人工测量不能到位的区域，往往会出现测点间距过大或遗漏问题，如此就会对地形成图的测量精度造成影响。无人机航测可以有效克服这些影响，即使环境不利，也可以全方位获取测量的信息数据。

随着科技进步，无人机配备的影像设备越来越高清，在测绘时能迅速、准确、清晰的获取测量信息数据，并且数字影像成像效果好、分辨率高。最重要的是影像中有地形测绘需要的坐标信息，其可以作为地形成图的原始资料[2]。无人机航测技术协调性也好，能够与卫星遥感、航空测绘信息联合对接，与地面控制系统互联互动，及时调整优化误操作出现误差的影像信息数据，确保地形测绘的精准度，提升测绘作业的质量。

3 无人机航测技术要点

3.1 航线规划

在进行航线规划前，应先确定无人机航飞范围、熟悉测区地形地貌，并结合无人机续航能力等各项参数确定飞行架次，优化航飞作业方案，提升航测作业效率，在城区、高海拔地区应事先申请空域。

某项目航测区域呈南北走向，整体地形为两端高、中间低，结合周边气候、线路走向以及无人机续航时间，设计采用7个架次，航线若干条，基准面高程为170 m。航线设计示意如图2所示。

为确保满足航测成图要求，相邻航线应满足如下规定要求：航向重叠度60%，不得小于53%，旁向重叠度30%，不得小于15%，对于地形复杂、起伏大的，应适当增加重叠度[3]。航线规划通常分为两步：①飞行前预规划，即根据任务要求统筹制定最优参考路径。②飞行中重规划，即航飞过程中若遇到地形、气象等突发因素时，局部动态调整飞行路径或动作。

3.2 航空摄影

无人机测绘小组应根据制定的航摄计划，对各测区进行拍摄采集照片数据，外业航飞过程中作业人员应时刻关注无人机飞行高度、速度等飞行状态，做好实时传图，保证飞行安全。在每架次飞行结束后，应立即检查拍摄的影像质量，检查是否存在漏片、漏洞等情况。对于影像点不满足设计要求，出现相对漏洞、绝对漏洞或其他缺陷时应及时补摄。漏洞补摄应严格按照原设计航线进行，直至获取满足质量要求的影像。

对于个别相对漏洞不影响内业加密模型的，可只在出现漏洞的位置补摄，但应注意，补摄航线的长度需超过漏洞以外的1条基线。如果控制航线存在局部相对漏洞，但对航线内业加密控制点选择和模型连接无影响时，可不进行补摄[4]。但只要涉及补摄时，就要按要求对整条航线进行重摄，确保无遗漏。影像数据检查合格后方可带回进行后续数据处理。

3.3 像控点布设

像控点布设时应严格按照规范要求的密度，优先选择便于查找处理的位置，如建筑角点、地物交叉点等。若测区处于山区等无明显地物的区域时，应根据测区内通视条件与有无明显特征点进行选择与布点。若对空视角较好，可在平坦地面采用人工喷漆对布设的像控点进行标记，对于植物密集区域可采用系白布条作为标记点。布点位置应选择易识别、好固定、无阴影、无遮挡的区域。布点密度应结合航测区域地形条件与测绘精度要求予以综合确定，对于地形较为复杂的区域，可结合测区实际适当增加像控点密度。对于像控点的坐标与高程采用RTK测量，测量误差不得超过5 cm，RTK接收机与无人机航测系统的网络接入点、端口应保持一致，以确保测量数据的真实性、可靠性。

该项目航测区域为带状地形，可沿测区边界按照相同间隔均匀布设若干平高点像控点，对测区以内等距布设若干稀疏检测像控点。其中，像控点△位于测区边界，检查点□位于测区内部，像控点与像控点间能够构成空间三角网结构，通过在测区内部布设检查点，能够有效提升平面精度和高程精度，像控点布设示意如图3。对于测区复杂不规则地形段，应结合测区实际情况，对像控点进行加密处理，以保证后期成图的精度与质量。

3.4内业处理

3.4.1 空中三角测量

空中三角测量即空三加密、摄影测量加密，是航测内业最关键、最重要的一环，其成果直接影响着内业成图的质量和精度，故不容小觑。航摄过程中，由于普通摄像相机成像几何质量不高、内方位稳定性差，且受外界环境因素的干扰，航摄质量往往难以保证。为了弥补航摄数码相机成像的不足，可采用光束法空中三角测量对影像进行处理，从而减少后期成图的误差。

空中三角测量的基本原理是以中心投影的共线方程作为基础方程，将单张像片组成的单一光束作为一个平差单元，通过各个光束在空间内旋转与平移使模型中公共点光线实现最佳交会，并将最佳测区转入已知控制点坐标。然后列出控制点与加密点误差方程，对测区进行统一平差计算，最后完成加密点的地面坐标与像片的外方位元素[5]。平差计算时按要求对连接点、像控点予以粗差检测，并将粗差点剔除或修测，进而有效确保立体测图所需像对的精度。

3.4.2 内业立体测圖

结合空三加密、平差计算获取的影像信息，利用全数字摄影测量系统恢复立体模型，进行立体采集，然后按要求进行编辑处理后，生成待编数据与野外调绘图。对于内业立体测图过程中发现与现状不相符合的地物，应按要求进行外业补测。

需要注意的是，立体采集时应满足如下要求：①等高线描绘采用测标切准立体模型，其误差应满足如下要求，平地、丘陵地≤1/5等高距，山地、高山地≤1/3等高距[6]。②等倾斜地段相邻曲线间距＜5 mm时，使用首曲线插绘。③准确测绘架空管线及道路，对植物密集区域或隐蔽区域的测绘，需应用野外高程点和立体模型方式，一般高程注记点读2次，变动幅度大的高程适当增加注记点。④如遇到被植被覆盖的测量区域，需修正增加植被的高度。⑤如有建筑物，需标明结构、层数，涉及村镇、公路、铁路、沟谷、河流等应清晰标记。⑥将矢量地形图通过CASS软件转换为格式地形图，以供下一步设计使用。

3.5 外业调绘

外业调绘需严格按照相关规范要求，采用航摄成图进行外业实地测量调绘，并按照公路勘察规范进行修测与补测。完成调绘后，再由内业调整数据，确保成图精度。在项目测量区域，按要求对实测数据予以分析，选择一部分高程点使用GPS进行实地测量，并将外业实测点与无人机航测DSM高程精度、DOM平面精度进行对比、分析，将GPS外业实测地物限差与空三加密精度进行对比，分析判断地物点平面误差、高程误差，若不满足项目测绘精度要求，应在后期进行外业补测。

3.6 内业编辑

在完成外业调绘及补测后，对调绘图纸进行检查，合格后方可对原采集的图形数据、图幅间的接边进行编辑处理，并按要求加注各类注记要素。对图面进行修整与装饰，以生成满足图式要求的成果文件。通过外业调绘数据对立体测量数据进行检查、确认与修改，生成项目成果数据。

4 结束语

传统测量需投入大量人力、物力，且在地形复杂、植物密集区域施测难度大、测量周期长、作业效率低。而无人机航测技术不仅没有传统测量的弊端，而且效率高、成本低、成果可靠，尤其在复杂地形段优势更为突出。但金无足赤，若对无人机航测重要环节的把控不当，亦会导致测量成果偏差过大。因此，在利用无人机航测技术开展公路地形测绘作业时，务须要做好航线规划、像控点布设、空中三角测量、内业立体测图、外业调绘及补测等相应环节的质量把控，从而为公路地形测量提供可靠的数据支持。

参考文献

[1] 黄语生.无人机航测在公路带状地形测量中的应用[J].交通世界，2022（34）：45-48.

[2] 刁云飞.无人机航测在地形数据采集中的应用[J].工程技术研究，2021，6（21）：253-254.

[3] 赵帅华.无人机航测技术及其在地形测绘工作中的应用探讨[J].工程技术研究，2020，5（3）：41-42.

[4] 王玉立.浅述无人机航测在公路地形测量中的应用[J].工程建设与设计，2018（18）：267-268.

[5] 石小龙.无人机航测技术在丘陵地区大比例尺测图的应用研究[J].城市勘测，2021（6）：132-134.

[6] 杨洲，齐兵，郑浩.无人机航测在地形测图中的应用[J].测绘， 2021，44（5）：237-240.