无人机大比例尺测图技术及应用研究

周丽晨 苏紫乾

内蒙古有色地质矿业（集团）七队有限责任公司 内蒙古 乌兰浩特 137400

随着经济建设的快速发展，不免会对地表地形进行改变，很多行业需要地表地形数据的更新。这样一来，需要对地理数据进行快速收集与整理更新。其中无人机航空摄影可以快速获取地理数据，在测图工作中越来越发挥重要作用。无人机技术与数码相机的相结合，使得无人机数字航摄技术的优势逐渐显现。相对于传统的测绘方式，无人机大比例尺测图技术经济成本低，更加便于操作，具有灵活性。无人机航测技术可以克服恶劣环境，在恶劣环境中继续工作。具有一定的现实意义。

1 概述

无人机最早产生于20世纪70年代，早期主要用于军事领域。随着经济与科学技术的发展无人机技术逐渐运用于民事与科研领域。无人机航空摄影测量系统在近几年逐渐成熟，再加上数码相机的发展，使得无人机大比例尺测图技术成为航测领域的一项新技术[1]。无人机航测系统可以应对自然灾害的发生，获取相关数据。在遥感、摄影测量等领域也得到广泛的关注。促进无人机航测技术的发展将有一定的现实意义。

2 无人机摄影测量工作原理

无人机航空成像技术是地理信息和制图技术的前沿，它结合了许多新技术，例如全球卫星定位技术以及数据传输技术。其工作原理是提前规划行程，然后扫描测绘对象、绘制对象从而获取图像数据，完成对测绘对象的数据处理。

无人机航测系统旨在获得精确的空间数据，再结合3S技术的应用，实现实时观测能力和空间数据处理能力。无人机携带的最重要的摄影测量传感器是CCD数码相机[2]。为了获得与大比例地形图精度相匹配的图像，基于相机的几何成像模型进行相关校准工作，以获得相机的内部参数，并测量每个像素的失真。

3 无人机航测系统的组成及特点

3.1 无人机航测系统的组成

无人机航摄系统主要由如下几方面组成：飞行控制器、航拍设备、图像感应器。飞行控制器主要进行对无人机及航拍系统的管理和对目标载荷的控制和选择。飞机平台即无人机的机体，通常包括了旋翼机、固定翼、混合机翼等三种。而摄影感应器即用来进行航拍的各种感应器系统，包括单反相机、多镜头的倾斜式摄像镜头等[3]。

3.2 无人机航测系统的特点

相对于卫星测量技术来说，无人机测量技术在效率方面更高，在同等的资金成本和技术成本支持下，无人机测量能够完成覆盖面比较广的工作，所需要获取的测量数据也较多。当政府对测量任务进行了相关的运输管理审批程序以后，无人机就能够开展商业运行任务了。由于无人机测量技术对飞机的起落地点要求比较小，工作条件比较简单，具备较高的实用价值。另外，由于其飞行高度相对降低，且位于云层下面的地方，受气候环境的影戏响比较小，因此具备了全天候工作的优势。在无人驾驶飞行器航测任务中，也可以获取比较准确的数字影像，因此具备了很高的整体技术含量[2]。在实际测量工作流程中，无人机测量通常与卫星测量、地球监测等方法协调进行，为实现综合测量目标提供更为有效的信息。

4 无人机航空摄影测量关键技术

4.1 地面站控制系统

在地面系统建设方面，主要内容涉及数传电台、地面站软件和计算机技术等三个方面。站从实际运行方面来看，控制系统在飞行数据和位置信息收集方面，主要是通过控制软件的数字显示系统，在获取飞行数据和位置信息的同时，也可以利用计算机的控制软件，通过显示出飞机行驶的实际数据和路径信息，对整个无人机的行驶目标实施遥控指令。而经过这些工作，整个无人机的自主行驶功能也将会受到更加完善，操作者还能够通过在该控制系统之中预先输入出飞机路径，从而实现对航线上飞行目标的机动控制，而唯有如此，方可对航迹目标进行合理调整。

4.2 空中三角测量

航空三点测量技术，是指通过对一些已知的野外控制点，在航空照相像上进行控制点位置加密，并通过数学计算获得加密控制点的平面位置和高程之后，对缺乏野外控制点的区域加以测图和实现绝对定向的加密控制点。在通常情形下，将航空三角的测量技术包括了相对定向、模型连接、平差解算，以及绝对定向等技术。首先实现了立体像对的相对定向，目的就是通过恢复构成立体像对的相邻二个影像的摄影光束的相互联系关系，使同名光线可以对对地交错传播，并据此恢复二个摄影的相对位置，从而建立目标的几何模型，进而可计算地确定各个模型的相对定向系数。相对位置定向完成之后，就产生了影像之间的相对位置关系，但是因为各个模型之间的坐标系并非相同，所以在此时还需要通过对各个模型中的物体在同名位置上通过空间相似变换来进行与模型连接，从而使得所有的系统都处于同一个坐标系中。而通过在立体像上的相对定向就能够产生单航的自由网，这样建立了位于同一航区上的影子之间的相对空间位置关系。然后，再利用单航带内的物方同名点进行空间相似转换，对各的单航带自由网系统进行空间拼接，这样使所有的单航带自由网系统都处于同一个空间座标体系中，从而形成了一个自由网体系。在采用相对定向的模型系统连接时，存在着信息的传递和累加现象，这会导致整个自由网的扭曲和畸变，所以就需要利用自由网的高程平差来减小误差。之后，再导入地面控制点坐标进行区域网络平差，从而完成了整个空域网络的误差配赋和绝对定向。绝对定向也是对无人机飞行图像进行空间三角测量时的重要环节，从而完成了进行相对定向时的立体模型从传统摄影测量坐标向地面坐标系的转化。绝对定向的实质上是解求相机测量坐标系与目标大地坐标系二个坐标中的七个位置变换系数，其中三个平移系数、3个旋转角度系数，以及一个比例系数。当绝对定向实现后，就能够通过无人机影像的相机测量坐标系求取目标的土地坐标系。

4.3 POS技术辅助空三加密

由于全球定位信息技术的迅速发展，使得航空测量设备变得更加完备，在控三操作方面，也进一步降低了人工的作业量，进而降低了对地面控制方式的依赖性。其中，通过POS技术主要是对GPS的动态定位信息进行了合理利用，从而可以对航空三维定位信息进行了快速获取，进而可以通过IMU技术把信息曝光在飞机的三个姿态角表现出来，因为如此，外方位元素值信息就可以表现出来了，让外业对控制方式的干扰越来越小。而通过POS技术的辅助，飞机人工操作步骤和时间都会更加缩短，同时也能够与实际规范的要求更加相符，不但可以让飞机内业操作的有效性大大地提高，同时也可以使飞机在航空测量中作用出的周期和持续时间都显得更短。这项研究的主要原理在于借助GPS技术和IMU技术，可以有效的获得外方位元素信息，并实现其物理上的互相对等。

5 测绘大比例尺地形图的作业流程

无人机应用飞行检测技术的作业过程包括：首先，设定飞行检测范围、现场检测，制定飞行路线计划、制定任务；然后，使用任务性能控制检验图像检测效果；最后，对空间三角测量、数据收集以及结果质量实施检验。

5.1 测绘前准备

在制定航空摄影计划之前，应对该地区的地形、地势及植被进行实地调查，并提供参考信息以确定路线并在布置好观测点。需要详细研究无人机参数的性能，例如飞行时间、最大高度、成像设备参数、内存容量等。通过调查研究根据具体情况制定合理的测绘方案。

5.2 确定航摄方案

首先，收集测量区域的地形图数据，并将其用于航摄照片设计。根据目标范围的测量、成图比例尺以及测绘地区的情况，确定航空摄影比例尺。在航空摄影过程中，合理的航空摄影区域应根据无人机类型、成图比例尺以及制图的范围进行划分。在作业之前，最好选择一个阳光充足、大气浓度低的日子。在技术书的撰写过程中，要遵循航摄技术要求。

5.3 航摄测绘实施

起飞前，应仔细检查系统设备的工作状态，并组织无人机操作员严格按照操作规范，评估路线设计、注意事项和技术规范。在飞行过程中，要注意飞行高度并且要保持飞行稳定性。操作人员要对飞行状态进行监控，保证飞行质量。飞行质量主要分为像片重叠率、像片倾斜角、像片旋偏置角度等[4]。无人机具有体积小、重量轻的特点，在飞行过程中稍有风就会受到影响。这时需要操作人员通过各种技术手段，保持飞行的稳定性，保证测绘的准确度。

5.4 控制点布设

地面控制点是摄影测量中空三加密和制图的基础。可以使用现有地形图数据和谷歌地图数据选择地面观察点。像控点布设首先要考虑测区地区的地形条件和测绘地图精度要求。在满足结果准确性的前提下，可以选择现场观察点，一般飞行高度越低，布设点密度应该越大，随之相反。布设点的密度还和飞机像素的高低有关，像素越高布设点越小。控制点的设计有两种常见的方法：区域网和航带法。在选点过程中，高程控制点点位目标应选择在高程起伏相对较小的地方，起伏较大的地方不便于测量。选择的像片控制点的目标影像要适于观察与测量。要综合考虑各种情况从而并选择最佳布局。

6 无人机航测技术在低空作业中应用

在测绘工作中，因为一些地形地势或者自然环境因素会使测绘工作雪上加霜，也会使测得的数据受到一定的影响。但是，目前先进的无人机航测技术可以解决这类问题，因为无人机在起飞和降落过程中受自然环境的影响较小，也不需要考虑地形地势问题。关于无人机的安全问题，由于无人机在运行过程中不需要相关人员实时跟踪，因此可以实现远程控制。因此，对于无人机飞行员来说，这为他们自身的安全提供了保障。例如，在某一城市的土地确权工作中，由于实地工作地形恶劣，云层较低，给工作带来了很大困难。但认证公司利用无人机航测技术，在该测区有效确立了测量路线和摄影技术，使用合理的测量技术，在恶劣环境下大大提高了工作效率，保质保量地完成了测量任务[5]。

7 无人机检测方面的问题和对应策略

目前无人机的生产厂商遍布在全球三十多个国家、数百个生产厂商中，而中国在这方面的生产技术也居于世界首位，技术水平已经达到了先进国家的水平。而在实际使用中，又由此造成了在实际测量工作中，常常必须做好对相应机种的选型工作，要根据单次作业的区域、地形和时间等不同因素进行综合分析，才能提高全机的作业质量。

7.1 测绘精度存在不足

因为不同的无人机其自重、设计载重、体型尺寸等方面都有着很大的不同，其所携带的拍摄设备也各异。因此测量项目实施时，应根据技术条件作出合理选择，采取使用不同的拍摄设备，在符合技术条件的情况下，科学合理的控制测量成本。需要通过摄像机在固定地点上的相对位置，判断其所造成的不稳定度，在实际测量过程中，首先要做好对摄像机标准尺的测量，并通过对实际的摄像范围，进行具体分析其测量准确度，是否满足了精确性的需要。而一旦发生了精确性不合格的现象，就必须进行对相应的数据进行调查，在需要的前提下，就必须对摄像机设备进行更新，以便于整个工作得以高效的进行。

7.2 人为因素造成的误差

由于人为方面的技术因素，在测量过程中不可避免的要产生一定程度的偏差。所以在开展测量作业时，首先要确定人员的工作态度，按照实际需要的标准，分析偏差所产生的范围和部位，并确定设备在收集数据过程中产生误差所造成的危害，并根据相关的作业标准和要求实施规范作业，以此提高整个工作水准。对在超出规定区域内的偏差问题，要提供适当的解决办法，并采取技术改进和软件调整的措施加以合理调整，从而使得整体测量工作可以更加适应现实需求。

7.3 天气因素的影响

天气干扰因子对无人机测量的实际工作都会造成很大的干扰，这不但会干扰飞行器的正常工作，同时也会对画片质量造成很直接的影响。在实际进行观测工作过程中，则一般选择少云、能见度较好、无雨少风的天气。一般情况下，当风力在三级左右时对无人机的航拍工作干扰程度较小，在当风力超过四级的情况下，则需要停止工作，再根据实际情况进行调整重新选择工作的时机。在实际工作时间方面，则一般选择工作在午间前后的时间进行，但同时还需要考虑降低因云层太厚或过高产生的阴影等的干扰。在进行无人机研究项目时，相关的技术人员还必须进行对天气因子所影响的大数据分析，从而通过技术手段减少了这些影响可能产生的影响，并由此扩大了无人机测绘的研究领域。

8 无人机大比例尺测图技术的展望

大规模无人机测量和制图是一个相对年轻的热点。它使用摄影设备和计算机设备，将在理论和实践方面得到迅速发展。此外，它与新型传感器和其他测量工具（如GPS、总站、激光扫描仪）结合在一起，为大规模地形测量和制图带来了极大的便利性。便于提高测量和制图的准确性与效率。成像无人机系统生产的大型地形图的平面精度相对容易满足，但高度精度仍难以提高。

9 结语

如今的时代是信息快速发展的时代，如何快速获取3D空间数据已成为热门话题。无人机已广泛应用于测量和制图领域，成为一项热门的新兴科研技术。一方面，它速度快、精度高，也降低了测量和制图人员的劳动强度；其次，它的操作灵活，完全满足了比例尺测量和制图精度的要求。在不久的将来，无人机技术将渗透到每个人的生活中，也将给测量和制图带来新的技术革命。