黃小明，江玉蓉

(溫州市勘察測繪研究院，浙江 溫州 325027)

1 引 言

無人機航測技術是繼大飛機航測之后發(fā)展起來的一項新型航空攝影測量技術。近年來，采用無人機航測技術可實現(xiàn)快速生產制作DOM及DEM，在應急測繪保障、國土資源監(jiān)測、重大工程建設等方面也得到了廣泛應用，但對于大比例尺數(shù)字線劃圖(DLG)的生產應用仍處于試驗階段，還沒有得到大面積的推廣應用。本文結合北麂島 1∶500基礎地形圖無人機航測的生產案例，介紹了無人機 1∶500航測成圖的關鍵步驟及控制措施，并通過精度檢測與分析，論證了無人機航空攝影測量技術應用于 1∶500地形圖測繪的適用性和有效性。

2 工藝流程

2.1 儀器及軟件

采用儀器包括：垂直起降固定翼無人機：大鵬CW-20(飛行總重：24 kg，任務載荷：2 kg，巡航速度：25 m/s，續(xù)航時間：4 h，抗風能：7級)；可量測型航測相機：飛思iXU-RS1000(有效像素：1億像素，最高分辨率：11608×8708，畫幅：53.4 mm×40 mm)。采用軟件包括：相片編輯軟件：CaptureOne，無人機攝影測量數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)：GodWork，測圖軟件：MapMatrix、FeatureOne。

2.2 作業(yè)流程

根據(jù)航空攝影測量技術特點與地形圖匯編要求，制定作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 作業(yè)流程

3 生產試驗

3.1 項目概況

本項目位于浙江省瑞安市北麂鄉(xiāng)，全鄉(xiāng)由16個島嶼組成，屬海島鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本次主要對北麂本島、下岙島、關帝島3個有人島以及附近的島礁進行 1∶500基礎地形圖測繪，總面積約 6.2 km2，其中陸域面積 4.5 km2，地形以島礁為主，建成區(qū)僅占15%左右。

鑒于海島地形地貌的復雜性和特殊性，采用常規(guī)測量手段施測難度大，作業(yè)效率低，且危險系數(shù)高。而無人機航空攝影測量具有機動性強、作業(yè)效率高、適應范圍廣等特點，能有效地解決常規(guī)海島地形測量的不足。本項目采用無人機對測區(qū)全范圍進行航空攝影并航測成圖，考慮到航測成圖可能難以滿足《浙江省 1∶500、1∶1 000、1∶2 000基礎數(shù)字地形圖測繪規(guī)范》中一、二類地物點的精度要求，對建成區(qū)進行全野外數(shù)字化測圖，同時也有利于對無人機航測成圖精度符合性進行檢驗。

3.2 關鍵步驟及控制措施

(1)航攝數(shù)據(jù)采集

本項目影像數(shù)據(jù)采集采用垂直起降固定翼大鵬CW-20無人機，搭載可量測的飛思iXU-RS1000相機。設計航高為 600 m，基線長度為 108 m，航線間距為 205 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，飛行架次1個，飛行航線22條，航攝時間為上午8：43～9：44?？紤]到海面反射大，相片容易過曝，在影像采集時，特將相機調成略微欠曝模式，最終于內業(yè)進行批量調色后輸出，獲取影像地面分辨率優(yōu)于 0.05 m的原始影像相片657張。

(2)像控點測設

無人機航攝完成后，結合測區(qū)快拼影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)進行像控點布設方案設計，并對于不同布設方案的精度影響和可操作性進行對比分析，選擇確定適合本項目的像控點布設方案。

方案一：在航向三片重疊和旁向重疊中線附近進行像控點布設，共需布設像控點113個。由于島域地理環(huán)境等因素影響，大片水域、大片草地、以及懸崖等位置實地無法布設像控點，同時控制點直線布設的方式對于面積較小的附屬島礁難于控制。因此，該像控點布設方案對于本測區(qū)來說，其實際可操作性較差，且像控精度也難于得到保證，如圖2所示。

圖2 像控點布點方案一

方案二：在航向與旁向均取重疊中線進行像控點布設，共需布設像控點256個。該布設方案可解決小島布設像控數(shù)量少和構形呈直線的問題，像控精度也可得到有效保證。但對于無人機已經增加后差分處理模塊的前提下，該方案像控點布設數(shù)目過多，對于海島上像控點尋找、外業(yè)施測難度大，其實際可操作較差，如圖3所示。

圖3 像控點布點方案二

圖4 像控點布點方案三(注：右上角小島不在測區(qū)范圍)

方案三：根據(jù)實際地形情況進行像控點布點，該方案也是本項目最終采用的像控點布設方案，共布設像控點144個，實測像控點121個，有效保證了本項目的像控精度，如圖4所示。像控點布設和施測情況如下：

①當大陸不能直接連接構網時，將零散的小島按照野外布點的方式連接[3]，單獨進行像控布設，使布設的像控點在小島上能構成大地四邊形；

②海島礁影像包含大面積水域的特殊性，影響影像的匹配精度，為保證后期空三處理的精度，可以適當沿海島岸線加布控制[6]，并根據(jù)海島形狀，在海島邊緣靠近島內位置進行布點，避開危險地理環(huán)境，同時延長像控點測量時間，減小多路徑效應；

③根據(jù)像控點整體情況，在像控未覆蓋的區(qū)域增設像控點，如在海島村落、燈塔、碑石等位置增設像控點；

④在godwork軟件中，導入像控點點號與假定的位置坐標，根據(jù)影像分布將選好的控制點進行刺點，調整過于邊緣或涉及影像數(shù)目過少的像控點的位置；

本文通過對比以往的一些國家級試點綠色礦山建設情況和當前最新的廣東省綠色礦山建設要求，認為以往的綠色礦山建設在地質災害監(jiān)測方面未充分利用現(xiàn)代化數(shù)字手段。本文討論了遙感衛(wèi)星、無人機、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等數(shù)字化技術綠色礦山建設中的重要意義，提出一種符合廣東綠色礦山建設實際情況的地質環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)，具體包括基礎信息、監(jiān)測、評估、預警4個模塊。在基礎信息模塊使用遙感技術，在監(jiān)測模塊使用無人機技術，評估模塊使用人工智能技術，預警模塊使用大數(shù)據(jù)、云計算和手機APP技術。通過融合傳統(tǒng)的地災評估方法和最新的數(shù)字化技術，多個功能相互結合，可為監(jiān)測和預測礦山地質災害的發(fā)生提供一套可行的方法。

⑤像控點外業(yè)測量采用RTK測量方式，施測方法和技術要求按照圖根控制測量的規(guī)定進行，像控點平面和高程中誤差均優(yōu)于 ±5 cm；

⑥由于外業(yè)像控點采集時存在地形或者相片角度問題，導致內業(yè)所選的點位仍有部分不能實地布設或施測，本次實測像控點121個，且全部為平高點，滿足空三加密的需要。

(3)空三加密

空中三角測量是航空攝影測量的技術核心，決定了模型精度和測圖精度。在本項目空三加密過程中，遇到以下一些問題并做了相應處理：①通過對快拼影像的觀察，除正常的錯位外，由于部分照片水域面積過大，浪花、水紋、水面高度對構網產生影響，島嶼的快拼成果還存在島嶼邊緣拼接錯亂的現(xiàn)象。特在后續(xù)空三工程進行前，將海水面占相片面積50%以上的相片舍去。②由于像控點刺點時受相片角度限制，會發(fā)生平面位置偏差甚至在高程上產生影響。采取在一輪刺點完成后，再進行立體刺點，對點位進行調整，從而盡可能保證像控點點位正確。③對于點位難以辨認的情況，采取先閑置，待大部分控制點完成后，進行控制網平差，再對改點進行點位預測，結合外業(yè)量測像控所采集的照片進行點位確認，完成最終刺點。④存在高出地面 20 cm的形似里程碑的地物，在平差過程中出現(xiàn)該地物上采集的像控點在z值上始終存在約 20 cm的偏差。經反復對照相片以及與外業(yè)人員確認后，判定該地物是由于斷面粗糙，顏色與地面相近等原因，在空三計算時被當作與地面等高，故將該點作舍棄處理。

本次在影像處理過程中，采用GodWork空三軟件并嚴格基于相機和鏡頭幾何模型，并對像控點進行精度吻合性檢驗和分析利用，最終利用像控點116個，舍棄5個，空三精度為：-0.127 m≤VX≤0.122 m，-0.081 m≤VY≤0.140 m，-0.180 m≤VH≤0.149 m，平面中誤差±0.048 m，高程中誤差為 ±0.053 m，空三加密精度較優(yōu)，滿足測圖的要求。

(4)立體測圖

人工采集產生的誤差是誤差中一個比較重要的來源。地物的高度、遮擋等都會對矢量采集產生影響。因此，提高作業(yè)員作業(yè)精度和操作熟練程度可提升矢量采集成果的精度；同時，制作相應的高精度正射影像在編圖過程中有一定的輔助作用。此外，考慮海面耀斑、沿岸浪花對內業(yè)立體測圖的影響，本項目實施過程中著重做好以下兩點工作：①選擇合適的航攝時機，在低潮位時間段作業(yè)，獲得的影像最大限度地覆蓋海岸的灘涂范圍，同時沿海岸線間相鄰影像的曝光時差盡量控制較短時間內，避免瞬時水崖線的互差較大；②海岸線采集時綜合參考水崖線痕跡、水邊線形態(tài)和地貌特征，最大限度地保持海岸線的逼真性，當采集的海岸線與地形要素發(fā)生矛盾時，在高程限差范圍內適當調整海岸線的平面位置。

(5)外業(yè)調繪

立體測圖形成了初步的地形圖成果后，通過外業(yè)調繪，對地形圖進行全面核查和調繪，主要包括地物修補測、屋檐改正、電桿連線、屬性調查及地形圖表示綜合取舍等內容，確保地形圖表示的內容完整正確。

(6)成果整合

結合外業(yè)調繪資料對進行內業(yè)測圖成果編輯處理，同時對采用數(shù)字測圖方法采集的建成區(qū)一、二類地物點及其他補測數(shù)據(jù)進行整合，最終獲得測區(qū)范圍內完整的 1∶500基礎地形圖成果。

4 精度評定

采用航測成圖的數(shù)據(jù)和外業(yè)實測數(shù)據(jù)進行比較分析，主要從平面精度和高程精度兩個方面進行評定。在平面精度方面選取房屋、電力線、道路邊線、坎、圍墻等地物的拐角點進行對比；在高程精度方面選取居民區(qū)、道路和田塊等平坦地區(qū)的高程注記點及等高線插求點進行比對。

4.1 1∶500地形圖測量的精度要求

依據(jù)《浙江省1∶500、1∶1 000、1∶2 000基礎數(shù)字地形圖測繪規(guī)范》(DB33/T552-2014)中地形圖精度要求，平面和高程測量精度要求如表1、表2所示。

地物點平面測定精度要求 表1

地形圖基本等高距及高程精度要求 表2

4.2 檢測結果

地物點平面誤差分布狀況統(tǒng)計表 表3

高程誤差分布狀況統(tǒng)計表 表4

4.3 成果精度符合性分析

(1)本項目采用無人機1∶500航測成圖，整體精度均勻且良好，尤其是高程精度相對于傳統(tǒng)航測方法有明顯的提高。平面和高程精度均可滿足《城市測量規(guī)范》規(guī)定的要求，但建成區(qū)屋檐改正工作量及難度較大，生產效率較低。

(2)本項目采用無人機1∶500航測成圖，對于建成區(qū)一、二類地物點，其平面精度仍難于滿足《浙江省 1∶500、1∶1 000、1∶2 000基礎數(shù)字地形圖測繪規(guī)范》規(guī)定的要求，屋檐改正是其誤差產生的主要因素之一。

(3)本項目最終采用綜合成圖方法，即建成區(qū)一、二類地物點采用野外數(shù)字化成圖，其他地形地貌采用無人機 1∶500航測成圖，項目成果經浙江省測繪質量監(jiān)督檢驗站最終驗收，質量優(yōu)良。

5 結 語

無人機航攝系統(tǒng)軟硬件技術難點不斷突破，已經達到實用化階段，越來越成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集的主要手段。將無人機航空攝影測量技術應用于大比例尺地形圖測繪，具有機動性強、作業(yè)效率高、適應范圍廣等特點，可快速獲取3D數(shù)字測繪成果，將是未來新型基礎測繪體系服務的發(fā)展趨勢。

本文采用固定翼無人機搭載可量測的相機進行低空航測成圖，通過充分的準備工作，對航空攝影、像控測量、空三加密和內業(yè)測圖等關鍵步驟進行質量控制，最終通過外業(yè)調繪和補測完成測區(qū) 1∶500地形圖測繪工作，有效提高了工作效率。同時，通過質量檢驗和分析，論證了無人機航空攝影測量技術應用于 1∶500地形圖測繪的適用性和有效性。

[1] 張祖勛，張劍清. 數(shù)字攝影測量學[M]. 武漢：武漢測繪科技大學出版社，1997.

[2] 王佩軍，徐亞明. 攝影測量學[M]. 武漢：武漢大學出版社，2016.

[3] 馬嘯，王偉，李楠. 海島礁測繪中的航空攝影測量技術探究[J]. 科技與創(chuàng)新，2016，22：136.

[4] 滕惠忠，于波，李海濱等. 海島礁航空攝影測量技術應用研究[J]. 海洋測繪，2016，36(6)：21～23.

[5] 郭忠磊，滕惠忠，張靚等. 海島區(qū)域低空無人機航測外業(yè)的質量控制[J]. 測繪與空間地理信息，2016，36(11)：27～30.

[6] 王海云，余如松，繆世偉等. 航空攝影測量技術在海島礁測繪的應用[J]. 海洋測繪，2011，31(2)：45～48.

[7] 陳昕. 無人機傾斜攝影測量在建筑規(guī)劃竣工測繪中的應用[J]. 城市勘測，2017(1)：82～85.