陳玲，丁亞杰

(常州市測繪院，江蘇 常州 213003)

無人機(jī)航空攝影測量在城市竣工測繪中的應(yīng)用與實(shí)踐

陳玲*，丁亞杰

(常州市測繪院，江蘇 常州 213003)

以多旋翼無人機(jī)為航攝平臺，對新建小區(qū)進(jìn)行大比例尺地形圖快速測繪，得到1∶500地形圖及正射影像圖，本文通過對無人機(jī)航空攝影、影像、空三加密、立體采集、正射影像制作的作業(yè)方法和流程介紹及質(zhì)量情況分析，闡述無人機(jī)航空攝影測量在城市竣工測繪中的實(shí)際應(yīng)用情況。

無人機(jī)航空攝影；竣工測繪；1∶500地形圖

1 引 言

無人機(jī)航攝系統(tǒng)作為全數(shù)字?jǐn)z影測量的有力補(bǔ)充，目前在應(yīng)急測繪、國土資源監(jiān)測、重大工程建設(shè)等方面得到廣泛應(yīng)用。它機(jī)動靈活、數(shù)據(jù)獲取快捷、地面分辨率高、高效快速、作業(yè)成本低等優(yōu)勢，在小區(qū)域和人行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。

近年來，無人機(jī)航測遙感技術(shù)在測繪行業(yè)有了很大的推廣應(yīng)用，但大多是用于生產(chǎn)制作DOM及小比例尺帶狀地形圖測繪等，對于大比例尺地形圖的生產(chǎn)只能滿足 1∶2 000、1∶1 000精度，對 1∶500比例尺地形圖測繪還沒有得到推廣應(yīng)用。本文從單位實(shí)際生產(chǎn)實(shí)例出發(fā)，以目前最先進(jìn)的無人機(jī)航測技術(shù)為主線，分析探討和解決了無人機(jī)航測的一些特殊問題并論證了無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)應(yīng)用于 1∶500比例尺地形圖生產(chǎn)的可行性，為無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測繪的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)

低空無人飛行器航攝系統(tǒng)是以無人機(jī)為飛行平臺，獲取和處理高分辨率及高精度遙感影像的嶄新技術(shù)。利用空中和地面控制病影像的自動拍攝和獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和監(jiān)控、數(shù)據(jù)壓縮和自動傳輸，影像預(yù)處理等功能，是具有高智能化、穩(wěn)定可靠、作業(yè)能力強(qiáng)的低空遙感系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成

無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)由飛行平臺、地面站系統(tǒng)、航拍攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件等組成。飛控系統(tǒng)包含機(jī)載飛控、地面站及通信設(shè)備，是飛行控制的核心設(shè)備。其主要任務(wù)是利用導(dǎo)航定位信號，對過測定無人機(jī)在飛行中的速度、高度、姿態(tài)等信息以及接收處理地面發(fā)射的測控信息，對無人機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，控制無人機(jī)按照預(yù)定的航跡飛行。地面站系統(tǒng)則是通過從地面計(jì)算機(jī)上監(jiān)視飛行狀態(tài)，并根據(jù)航線規(guī)劃和實(shí)際飛行情況調(diào)整和控制飛行任務(wù)的執(zhí)行。航拍攝影系統(tǒng)是通過搭載在無人機(jī)上的數(shù)碼相機(jī)等小型遙感傳感器進(jìn)行影像獲取。目前普通的數(shù)碼相機(jī)都具有 2 000萬像素左右的分辨率，可獲得地面分辨率 0.2 m、 0.1 m及以上地面影像。最后通過一系列的數(shù)據(jù)后處理軟件對無人機(jī)航攝獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得DLG、DEM、DOM等各種所需的成果。

2.2 無人機(jī)的優(yōu)勢

(1)現(xiàn)勢性強(qiáng)。

(2)影像清晰，分辨率高。

(3)云下攝影，受氣候影響小。

(4)攝影方向任意，自主性強(qiáng)，可以量測。

(5)場地限制少，自主性強(qiáng)，效率高。

3 無人機(jī)航攝系統(tǒng)在小區(qū)竣工項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 竣工測區(qū)概況

本項(xiàng)目實(shí)施的測區(qū)位于金壇鎮(zhèn)區(qū)，為新建小區(qū)竣工，面積約 0.22 km2，測區(qū)內(nèi)地勢平緩，共有建筑51幢，多數(shù)為11層房屋。附屬設(shè)施均已建設(shè)完成。

3.2 技術(shù)流程

具體作業(yè)流程如圖1所示。

3.3 航攝資料情況

本項(xiàng)目采用大疆S1000多旋翼無人機(jī)進(jìn)行航攝，如圖2所示。

航攝時(shí)間： 2015年12月

圖1 技術(shù)流程圖

相機(jī)：索尼α6000微單。

焦距：16 mm。

航高：204 m。

像幅：23.5 mm*15.6 mm。

像元大?。?.003 92 mm。

像片重疊度：航向70%～85%，旁向50%左右。

像片旋偏角：小于7°；傾斜角：小于2° ；航線彎曲度：小于3%。

影像質(zhì)量：色彩均勻清晰，顏色飽和無云影，層次豐富反差適中。

圖2 小區(qū)航線分布圖

3.4 像控布設(shè)及測量

像片控制點(diǎn)全部布設(shè)為平高控制點(diǎn)，測區(qū)外圍與測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)平高點(diǎn)。采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式測量像控點(diǎn)。在野外選擇合適的點(diǎn)位，點(diǎn)位的選擇按照規(guī)范要求，在圖紙上標(biāo)記像控點(diǎn)點(diǎn)號，并利用手機(jī)拍攝近、遠(yuǎn)兩張照片作為點(diǎn)之記的補(bǔ)充資料，供空三加密解算時(shí)參考。為保證測區(qū) 1∶500測圖精度，本測區(qū)共布設(shè)了31個(gè)平高點(diǎn)，其中一部分可作為檢查點(diǎn)使用。在空三解算過程中，我們進(jìn)行了多種布點(diǎn)方案的測試，布點(diǎn)及精度情況如表1所示，□為像控點(diǎn)，△為檢查點(diǎn)。通過方案對比，為保證較高的測圖精度，我們認(rèn)為在測區(qū)周邊均勻布設(shè)4個(gè)點(diǎn)，中間適量布1～2個(gè)點(diǎn)即可滿足500測圖精度。

多余控制點(diǎn)誤差表 表1

續(xù)表1

3.5 空三解算

由于無人機(jī)獲取的航片不僅像幅小，影像畸變大，而且偏角和滾角也大，為此，本項(xiàng)目采用SVS低空攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密與平差解算，其自動空三模塊具有快速并行處理海量數(shù)據(jù)的能力，平差模塊具有處理姿態(tài)極差航片的能力。能夠快速高效地生成大量高精度、高強(qiáng)度的模型連接點(diǎn)，獲得高精度的空三加密結(jié)果，以滿足大比例尺測圖的要求?？杖用艹晒热绫?所示。

多余控制點(diǎn)誤差表 表2

檢查點(diǎn)平面最小誤差為 0.015 3 m，最大誤差為 0.083 2 m，中誤差為 0.052 3 m。檢查點(diǎn)高程最小誤差為-0.014 7 m，最大誤差為 -0.078 8 m，中誤差為 0.047 3 m，均符合相關(guān)規(guī)范要求。

3.6 線劃圖采集制作

在航天遠(yuǎn)景MapMatrix全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集，直接將加密像對導(dǎo)入測圖工作站。內(nèi)業(yè)測繪所有地物的外輪廓，對立體判測有疑問的影像加注說明，為下一工序提供準(zhǔn)確、可靠、完整的數(shù)據(jù)。由于無人機(jī)拍攝的影像像幅小，重疊度不規(guī)則，因此在立體量測時(shí)，模型采集區(qū)域要嚴(yán)格把控，盡量在中心區(qū)域進(jìn)行量測，離開像片邊緣至少 1 cm～2 cm。

外業(yè)根據(jù)內(nèi)業(yè)測定的定位點(diǎn)、線調(diào)繪地物性質(zhì)，對新增、變化的地物進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，對高程注記點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)實(shí)地采集測量。

當(dāng)外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測完成后，根據(jù)統(tǒng)一的作業(yè)文件，采用統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系、高程系、等高距，明確坐標(biāo)取位，對線劃圖進(jìn)行編輯入庫。

我們對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，將無人機(jī)航空攝影測量的數(shù)據(jù)與外業(yè)實(shí)測點(diǎn)位進(jìn)行比較。檢查內(nèi)容包括平面精度檢測，高程精度檢測，檢查情況如表3、表4所示：

平面精度檢查統(tǒng)計(jì)表 表3

續(xù)表3

高程精度檢查統(tǒng)計(jì)表 表4

平面精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最小誤差 0.005 m，最大誤差 0.239 m，中誤差 0.111 m。高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最小誤差 0.035 m，最大誤差 0.378 m，中誤差 0.200 m。通過對所抽查圖幅的各項(xiàng)質(zhì)量特性檢查，平面精度達(dá)到 1∶500精度要求，高程精度達(dá)到 1∶2 000精度要求，若 1∶1 000地形圖等高線采用 1 m等高距，此時(shí)高程精度達(dá)到了 1∶1 000精度要求。

3.7 DEM與DOM制作

根據(jù)格網(wǎng)密度由模型自動生成DEM，對人工地物及植被等DEM處進(jìn)行編輯，利用編輯好的DEM和經(jīng)糾正后的原始影像進(jìn)行正射影像?？⒐y繪一般區(qū)域較小，地面一般較平整，因此DEM的編輯工作較小，有些高差小的可以通過直接賦予一個(gè)平均高程的方式生成DEM。用編輯完成的DEM與影像進(jìn)行正射糾正，由于無人機(jī)航攝一般像片像幅都較小，新建的竣工地塊一般高層樓房較多，體塊較大，往往會跨度幾張像片，因此在DOM拼接編輯時(shí)要注意高層房屋的拼接情況，在保證房屋完整的情況下盡量使房屋倒向一致。另外，如只需影像索引及工作用圖時(shí)，可采用快拼的方法，即只進(jìn)行影像自動鑲嵌拼接而不進(jìn)行后期編輯處理，此方法拼接的影像在檢查飛行質(zhì)量及像控布點(diǎn)時(shí)有極大用處。

4 總結(jié)與經(jīng)驗(yàn)

通過實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)，我們認(rèn)為無人機(jī)航空攝影測量在小區(qū)竣工測繪中的應(yīng)用與下面一些因素有直接關(guān)系：

(1)影像質(zhì)量

拍攝當(dāng)天天氣晴朗，獲取的影像色彩均勻清晰，顏色飽和無云影，層次豐富反差適中，并且姿態(tài)保持穩(wěn)定，影像質(zhì)量較好，有利于后期空三精度的提高。

(2)相機(jī)嚴(yán)格標(biāo)定與畸變差改正

由于無人機(jī)航攝采用的是普通數(shù)碼相機(jī)，與量測相機(jī)相比，普通相機(jī)像幅小、畸變大、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等因素對空三精度影響較大，為滿足精度要求，我們需要對相機(jī)進(jìn)行了嚴(yán)格的標(biāo)定，并在空三加密前對影像進(jìn)行了畸變差改正。

(3)空三軟件的性能

在利用SVS軟件進(jìn)行空三加密過程中，軟件自動匹配得到的像點(diǎn)較多，另外通過軟件“二次轉(zhuǎn)點(diǎn)”功能，進(jìn)一步加大匹配點(diǎn)的數(shù)量。通過迭代運(yùn)算，軟件自動檢測并將粗差點(diǎn)剔除，獲得穩(wěn)固的加密網(wǎng)。

(4)像控布設(shè)

此次項(xiàng)目測區(qū)面積約0.2 km2，通過不同像控布設(shè)方案的對比，在測區(qū)周邊均勻布設(shè)4個(gè)點(diǎn)，中間適量布1個(gè)～2個(gè)點(diǎn)即可滿足500測圖精度。較密的控制網(wǎng)對空三精度的提高意義重大。另個(gè)如果航飛時(shí)同步進(jìn)行差分GPS進(jìn)行定位，相信像控點(diǎn)的數(shù)量會大大差少。

(5)立體采集精度

由于無人機(jī)影像是采用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝的，雖然經(jīng)過了畸變差改正，但影像邊緣誤差較中心區(qū)域仍有所增大，在立體采集時(shí)需特別注意，盡可能不采用模型邊緣進(jìn)行地物采集，以提高測圖精度，航向70%～85%、旁向50%左右的像片重疊度也為這樣操作提供了可能。

5 結(jié) 語

實(shí)踐證明無人機(jī)航空攝影測量在城市竣工測繪中能快速、高效地提供高精度、高分辨率的線劃圖與影像圖，采用無人機(jī)航測系統(tǒng)，效率高，成本低，靈活機(jī)動，應(yīng)急反應(yīng)快，并能大大減少外業(yè)工作量，且數(shù)據(jù)獲取可靠直觀。為城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)竣工測繪提供可能。但也存在飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、影像重疊度不規(guī)則、像幅小像片數(shù)量多、影像畸變大等缺陷。目前低空無人機(jī)航空攝影測量在城市測繪的應(yīng)用還處于初級階段，在實(shí)際應(yīng)用中還有許多需要探索的地方，如航飛的智能化及飛行時(shí)精密POS的獲取，解決加載大像幅、多鏡頭數(shù)碼相機(jī)，后期數(shù)據(jù)處理的自動化等，還需要不斷研究和總結(jié)。

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Application of UAV Aerial Photogrammetry for Urban Construction Completion Acceptance

Chen Ling，Ding Yajie

(Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 2130002，China)

In multi-rotors unmanned aerial vehicle (UAV) photogrammetry platform，new residential area for the large scale topographic map surveying and mapping，quick get 1∶500 topographic map and orthography like figure，this article through to the UAV aerial photography，video，empty three encryption，three-dimensional acquisition，orthogonal projection like making method and process is introduced and the quality of analysis，expounds UAV aerial survey completed in city surveying and mapping in the actual application situation.

unmanned aerial photogrammetry；completion of surveying and mapping；1∶500 topographic map

1672-8262(2017)03-110-05

P237

B

2016—07—28

陳玲(1979—)，女，工程師，主要從事航空攝影測量、4D生產(chǎn)等相關(guān)技術(shù)工作。