劉柱

關(guān)鍵詞： 無人機 攝影測量 精度 大比例尺測圖

中圖分類號： P231 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0040-04

隨著城市化的進展，大規(guī)模地形圖越來越成為構(gòu)建智能城市基本地理信息的重要基礎(chǔ)。無論是城市規(guī)劃、自然資源動態(tài)實時監(jiān)測，還是應(yīng)對地震、山體滑坡等重大自然災(zāi)害，都需要準(zhǔn)確、及時的地理信息的支持。各級政府需要在土地測繪、基本制圖數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃、新農(nóng)村發(fā)展、資源監(jiān)測、農(nóng)林分析等領(lǐng)域提供大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確的地理空間數(shù)據(jù)。緊急情況和救災(zāi)工作日益緊迫，有效獲取大規(guī)模地形數(shù)據(jù)、快速繪制地圖已成為地理制圖信息研究的重要領(lǐng)域[1]。大地測量和制圖工作效率的顯著提高、大地測量和制圖更新周期的縮短、空間地理信息的快速準(zhǔn)確捕捉成為大地測量和制圖工作面臨的新挑戰(zhàn)。

與以往的航空攝影系統(tǒng)相比，無人航空攝影測量系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，具體見圖1。正是這些優(yōu)點使無人航空攝影測量成為傳統(tǒng)航空攝影測量方法的重要補充。該方法在制圖、地理信息等領(lǐng)域越來越受到重視，廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、土地與環(huán)境研究、海洋信息開發(fā)與動態(tài)管理、自然災(zāi)害預(yù)測、災(zāi)害監(jiān)測與評價、國家海洋權(quán)益保護、農(nóng)業(yè)監(jiān)測與節(jié)能、水資源研究等領(lǐng)域。

1 無人機影像獲取流程和技術(shù)路線

本文采用南方測繪“天行”八旋翼無人機搭載Sony RX1RM2 數(shù)碼相機，在北京市某鎮(zhèn)進行了生產(chǎn)作業(yè)，獲取無人機低空航攝遙感影像并完成1∶500 大比例尺地形圖的成圖[2]。此次作業(yè)選用的數(shù)據(jù)處理軟件是Smart 3D 三維實景建模軟件和清華山維EPS 裸眼3D 測圖軟件。無人機影像獲取流程如圖2 所示。

1.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于北京市某鎮(zhèn)。該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫚敫稍锛撅L(fēng)氣候，夏季氣溫高、雨量多，冬季寒冷干燥，且春秋短。全年無霜期達180～200 d。任務(wù)是對該地區(qū)約3 km2的旅游發(fā)展項目進行初步研究。

在開始之前，必須收集測量區(qū)域的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。該區(qū)域的現(xiàn)有數(shù)據(jù)包括相關(guān)部門的3 個控制點，可以作為圖像控制點配置的起點。此次作業(yè)的控制點坐標(biāo)系采用1980 年西安坐標(biāo)系和1985 國家高程基準(zhǔn)。事先與甲方溝通，指明測量區(qū)域邊界，溝通測繪區(qū)域難點、最大高差等相關(guān)信息[3]。

1.2 航線設(shè)計

航線設(shè)計允許無人機根據(jù)給定軌跡執(zhí)行飛行操作，從而確保所有飛行參數(shù)對應(yīng)于相關(guān)軌跡。路線規(guī)劃的有用性取決于最終的結(jié)果，設(shè)計必須符合相關(guān)的規(guī)范，并進行測試以確保飛行過程的安全性和飛行數(shù)據(jù)的可靠性。航線計劃見圖3。

1.3 外業(yè)像控點測量

為確保測量操作的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場影像檢查點的布置嚴(yán)格遵循野外影像控制點設(shè)置的原則。共設(shè)置了76 個影像像控點。用于測量的坐標(biāo)系為1980 年西安坐標(biāo)系，1985 國家高程基準(zhǔn)，114°中央子午線。結(jié)合GPS-RTK 和CORS 數(shù)據(jù)，以3 個已知控制點作為平滑采集的起點，計算結(jié)果的平面和高程精準(zhǔn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

從兩個測繪區(qū)域獲取圖像后，使用Smart 3D 軟件進行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理。該軟件是一個自動航空圖像處理軟件，結(jié)合了數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空間加密和三維建模。該程序高度自動化，可為EPS 裸眼3D 軟件生成OSGB 格式的數(shù)據(jù)[5]。該程序生成高精度、結(jié)果良好的三維模型，進行滿足模型要求的大規(guī)模繪制。Smart 3D 軟件中的數(shù)據(jù)處理步驟見圖4。

2.1 航測原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

首先將本次航測獲取到的記錄飛行姿態(tài)的POS 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和像控點數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面導(dǎo)入到Smart 3D 中，完成航測數(shù)據(jù)的錄入工作。

2.2 空中三角測量

設(shè)置好像片的相關(guān)屬性后，選擇提交空中三角測量，可以設(shè)置空三的名稱，定位、參考方式以及其他設(shè)置等。如果對一次空三加密的計算結(jié)果不滿意，Smart3D 可以進行多次提交空三加密，直到符合精度要求[6]。此次試驗共進行了2 次空三加密。

2.3 構(gòu)建三維模型

空三加密完成后，開始創(chuàng)建三維模型。Smart 3D模型的構(gòu)建非常自動化，要求創(chuàng)建OSGB 格式的瓦片模型。為了加快模型生成的速度和精度，需要在整個研究領(lǐng)域中創(chuàng)建空間框架，并選擇生成的模型范圍。根據(jù)計算機的性能和測區(qū)的實際狀態(tài)，整個區(qū)域被分割成49 個瓦片。

該項目隨后提交生產(chǎn)，Smart 3D 可以創(chuàng)建三維網(wǎng)格、三維點云、正射影像和DSM?？梢愿鶕?jù)不同生產(chǎn)項目的需要生成不同類型的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過上述步驟，就完成了內(nèi)業(yè)處理的整個步驟，再經(jīng)過對后續(xù)成果整理和修飾，就可得到測區(qū)的數(shù)字三維模型，見圖5。

3 精度分析

精度分析主要采用GNSS-RTK 系統(tǒng)對測量范圍內(nèi)可視位置的平面坐標(biāo)和高度進行測量，然后選擇DLG上的坐標(biāo)和高度。使用均方誤差公式計算平面精度和高程精度。檢查點主要選擇影像容易識別的可視點，如斑馬線、路標(biāo)垂直轉(zhuǎn)彎、平房拐點、水泥路交叉口等。

3.1 平面精度分析

利用GNSS-RTK系統(tǒng)對測區(qū)內(nèi)20個明顯的地物點實測其平面坐標(biāo)和高程，然后在數(shù)字線劃圖上選取該點的圖上坐標(biāo)和高程，最后利用中誤差計算公式計算其平面精度和高程精度，得到測區(qū)檢查點的平面精度統(tǒng)計結(jié)果：X 方向中誤差為0.066 m，最大誤差為-0.109 m；Y 方向中誤差為0.089 m，最大誤差為0.155 m；平面坐標(biāo)中誤差為0.111 m，最大誤差為0.199 m，均滿足規(guī)范要求。具體如表1所示。

3.2 高程精度分析

同樣可以算出測區(qū)的高程誤差和精度，如表2 所示。從表2 可得：測區(qū)的高程中誤差為0.275 m；最大誤差為0.439 m；該測區(qū)地形起伏不大，大多屬于平地和丘陵地，滿足1∶500 地形圖對高程精度要求。

4 結(jié)語

系統(tǒng)闡述了無人機攝影測量系統(tǒng)在大比例成圖中的完整流程，通過實例精度分析，可以得到結(jié)論：在控制好成圖過程誤差傳播，嚴(yán)格按照規(guī)范要求獲取影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理過程嚴(yán)格把關(guān)，無人機航測大比例尺地形圖可達到1∶500 比例尺的成圖精度，尤其是在平原地區(qū)平面精度和高程精度都很高，可以在該地區(qū)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。