張培 蔣達(dá) 孫莉 賀曉陽(yáng)

（1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450003）

1 引言

當(dāng)前，在公路帶狀地形測(cè)繪中主要采用GNSS RTK測(cè)繪法、全站儀測(cè)繪法和傳統(tǒng)的航空測(cè)繪法[1]。其中，GNSS RTK測(cè)繪法和全站儀測(cè)繪法所需的人力、物力較多，工作難度較大，對(duì)建筑密集地帶無(wú)法精確測(cè)量。傳統(tǒng)的航空測(cè)量受天氣影響較大，成本高、拍攝周期長(zhǎng)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)低空航攝憑借低成本、易操作、生產(chǎn)周期短、精細(xì)準(zhǔn)確、不受外界多數(shù)因素干擾、適用于危險(xiǎn)區(qū)測(cè)繪等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、工程建設(shè)、資源監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)測(cè)繪等領(lǐng)域[2-3]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)公路帶狀圖測(cè)繪費(fèi)時(shí)費(fèi)力的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，一方面革新了大比例尺帶狀地形圖的獲取方式；另一方面提高了復(fù)雜地形中的精度，滿足了大比例尺測(cè)圖技術(shù)要求。

2 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)及技術(shù)流程

2.1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

低空無(wú)人機(jī)(unmanned aerialvehicle，UAV)航攝系統(tǒng)是集無(wú)人駕駛飛行器、遙感及GNSS導(dǎo)航定位等技術(shù)于一體的高機(jī)動(dòng)性、低成本、小型化、專用化遙感系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)和非量測(cè)型面陣CCD數(shù)碼相機(jī)，及地面站、遠(yuǎn)程無(wú)線通信裝置、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施[4]。（如圖1所示）

2.2 生產(chǎn)技術(shù)流程

在帶狀公路地形測(cè)量中，無(wú)人機(jī)航攝的生產(chǎn)技術(shù)流程由接受任務(wù)開(kāi)始，經(jīng)室內(nèi)方案設(shè)計(jì)、航空拍攝、控制點(diǎn)測(cè)量、空三加密、內(nèi)業(yè)測(cè)圖、資料整理六大階段[5]，分為16個(gè)步驟。（如圖2所示）

圖1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)組成

3 無(wú)人機(jī)在公路改建測(cè)量中的應(yīng)用

項(xiàng)目作業(yè)區(qū)域擬改建公路全長(zhǎng)28.37km，以1∶5萬(wàn)線路中線為基礎(chǔ)，向兩側(cè)各外擴(kuò)150m。線路屬山地地形，一般地形和隱蔽地形都有分布，地物較多，植被有水田、旱地、果園、樹林、灌木等。部分地區(qū)樹林密集，地物雜亂無(wú)章，沿線道路交通不便，通視情況較差。

3.1 控制測(cè)量

航攝前進(jìn)行平面及高程控制測(cè)量：測(cè)區(qū)范圍共布設(shè)GNSS控制點(diǎn)10個(gè)，控制網(wǎng)概略圖如圖3所示。平差后，在CGCS2000坐標(biāo)系中，點(diǎn)位三維中誤差范圍為±2.2～±4.9mm；對(duì)10個(gè)GNSS控制點(diǎn)采用二等幾何水準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)，平差后點(diǎn)位高程中誤差范圍為±0.1～±1.1mm，滿足技術(shù)規(guī)范要求。

3.2 無(wú)人機(jī)航空攝影

完成控制測(cè)量后，依據(jù)測(cè)量寬度設(shè)計(jì)航線，共設(shè)計(jì)6個(gè)飛行架次。航飛平臺(tái)主要為CW-30，采用尼康D810單反相機(jī)，焦距為88.59mm。要根據(jù)氣候條件選擇最佳航攝時(shí)間。橫向覆蓋區(qū)域加上20%的寬度，向外延伸兩條基線，分辨率為0.12m。制作像片的控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)，常采用1.5m的方形噴繪紙，將其制作成較易辨識(shí)的黑白相間的三角形符號(hào)。在實(shí)際測(cè)量中，地形較為復(fù)雜的區(qū)域，地面可視度較低，對(duì)線路中線周圍的控制點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，須使用辨識(shí)度較高的布標(biāo)，以保證測(cè)量精度及后續(xù)成圖處理的準(zhǔn)確度。通常選用邊長(zhǎng)1.5m的正方形噴繪布制作4個(gè)黑白相間的三角形布標(biāo)。

圖2 生產(chǎn)技術(shù)流程

圖3 GNSS控制網(wǎng)布設(shè)示意圖

3.3 空三加密

空三加密是無(wú)人機(jī)影像處理的關(guān)鍵，也是整個(gè)處理流程的難點(diǎn)，主要目的是為缺少野外控制點(diǎn)的地區(qū)測(cè)圖提供絕對(duì)定向的控制點(diǎn)。無(wú)人機(jī)影像像幅小、數(shù)量多，一個(gè)小的區(qū)域網(wǎng)就會(huì)有上千張影像，且由于無(wú)人機(jī)飛行受外界條件影響，航向和姿態(tài)角的偏差較大，采用傳統(tǒng)的加密方法及軟件無(wú)法滿足要求。

實(shí)際作業(yè)中采用的PixelGrid系統(tǒng)是專門針對(duì)無(wú)人機(jī)影像特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)影像快速處理模塊。在相對(duì)定向和模型連接完成后，針對(duì)因航飛不穩(wěn)造成模型連接不穩(wěn)的地方，定義航帶初始偏移量時(shí)適當(dāng)增加偏移點(diǎn)個(gè)數(shù)，提高模型間轉(zhuǎn)點(diǎn)的成功率和精度。對(duì)于部分自動(dòng)連接失敗的模型，通過(guò)人工干預(yù)增強(qiáng)連接強(qiáng)度。

測(cè)區(qū)自由網(wǎng)解算連接點(diǎn)上下視差保持在1個(gè)像素以內(nèi)（6.4μm），模型連接較差達(dá)到規(guī)范要求?？刂泣c(diǎn)、檢查點(diǎn)均在立體觀測(cè)下準(zhǔn)確量測(cè)。加密運(yùn)算結(jié)果的平面精度為0.48m，高程精度為0.32m，達(dá)到項(xiàng)目要求。

3.4 內(nèi)業(yè)測(cè)圖

內(nèi)業(yè)矢量測(cè)圖采用Virtuozo數(shù)字?jǐn)z影測(cè)圖系統(tǒng)，進(jìn)行立體數(shù)據(jù)采集，立體像對(duì)直接導(dǎo)入空三加密成果，局部編輯測(cè)圖如圖4所示。

圖4 內(nèi)業(yè)編輯立體測(cè)圖

內(nèi)業(yè)測(cè)圖主要采用全野外刺點(diǎn)測(cè)圖，對(duì)不符合現(xiàn)狀的地物進(jìn)行野外補(bǔ)測(cè)，用測(cè)標(biāo)在模型上描繪。有植被覆蓋時(shí)，通過(guò)植被高度進(jìn)行改正。在野外的高程點(diǎn)和立體模型中，樹木密集和隱蔽的地方，高程點(diǎn)讀兩次，讀數(shù)差為0.4m，中數(shù)標(biāo)記為0.1m。同時(shí)對(duì)獨(dú)立地物、架空管線和各級(jí)道路進(jìn)行測(cè)繪。房物標(biāo)明建筑結(jié)構(gòu)和層數(shù)，植被區(qū)分為經(jīng)濟(jì)林和用材林，旱田、水田、蔬菜果園、村鎮(zhèn)、河流、大山、鐵路和管線等要清晰標(biāo)注。最終運(yùn)用CASS軟件將矢量的地形圖轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的DLG地形圖。局部成果圖如圖5所示。

3.5 外業(yè)調(diào)繪及精度檢查

外業(yè)調(diào)繪是保證地形圖質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，一定要走到、看到、問(wèn)到。將矢量線劃圖（DLG）套合正射影像（DOM）作為外業(yè)檢測(cè)、補(bǔ)測(cè)和調(diào)繪的工作底圖，嚴(yán)格按《公路勘測(cè)規(guī)范》（JTG C10—2007）、《公路勘測(cè)細(xì)則》（JTG/TC10—2007）的相關(guān)要求執(zhí)行，對(duì)航攝成圖進(jìn)行實(shí)地全野外屬性調(diào)繪，并修測(cè)、補(bǔ)測(cè)，最后通過(guò)內(nèi)業(yè)編輯數(shù)據(jù)，以提高成圖精度。

圖5 局部成果圖

（1）DEM和DOM精度分析

按照項(xiàng)目要求，成圖比例尺為1∶2000，成果精度滿足《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003—2010）要求，測(cè)區(qū)總體地形為平丘地，空三加密點(diǎn)精度平面中誤差為1.75m，高程為1m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，平面檢核點(diǎn)85個(gè)，高程檢核點(diǎn)97個(gè)，按照1∶2000比例尺DOM、DEM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。經(jīng)分析，測(cè)區(qū)DOM平面檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.157m，最大值為0.589m，平均值為0.346m，檢測(cè)點(diǎn)平面中誤差為0.452m。DEM高程檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.22m，最大值為0.568m，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為0.346m。

（2）DLG精度分析

為檢驗(yàn)DLG成果的可靠性，在測(cè)區(qū)不同區(qū)域采集了128個(gè)明顯地物點(diǎn)、276個(gè)地形點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，其中地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.482m，等高線插值的高程中誤差為0.457m，結(jié)果完全滿足《公路勘測(cè)規(guī)范》（JTG C10—2007）中1∶2000地形圖測(cè)量和公路設(shè)計(jì)要求。

表1 DOM平面精度和DEM高程精度分析結(jié)果（m）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際案例分析可知，無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)可滿足公路帶狀1∶2000地形圖測(cè)繪的要求，提高了公路測(cè)繪的速度和精度，節(jié)約了人力、物力等成本，為公路帶狀測(cè)圖項(xiàng)目提供了新的解決方案，同時(shí)可更好地為大比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪工程提供服務(wù)和保障。