無人機低空攝影測量在大比例尺測圖中的應用

原中華

摘 要：隨著城市發展的需要，城市大比例尺地形圖每隔三到五年就要進行更新，傳統測量方法費時費力，成本高，已無法完全滿足地形圖更新周期的需求。近些年無人機技術發展日趨成熟，且成本較低，各種配套軟件硬件也日益完善，無人機低空攝影平臺配合GPS測量系統，進行較小面積的大比例尺地形圖測繪，精度滿足要求，且成本低廉，技術門檻較低，又能大大提高工作效率，是當前許多測繪公司進行技術革新的重要參考方向。

關鍵詞：無人機;攝影測量;大比例尺測圖

1 無人機低空攝影測量的特點及發展現狀

1.1 無人機攝影測量技術特點

無人機相對于其他大型航空航天測量平臺具有機動靈活、飛行成本低、損耗小、低風險等特點。其飛行高度較低，一般在50-1000米，受云層遮擋較小，可在有云天氣飛行。小型無人機重量只有幾公斤，攜帶方便，機動靈活，對于面積較小的大比例尺地形圖測繪，采用大飛機進行攝影測量，成本高，受天氣及空管限制較多，而采用全野外數據采集成圖的方法則周期長成本高，無人機具有經濟靈活快速的優勢。無人機操作簡單，技術門檻較低，普通人經較短時間的培訓就可掌握，對起降場地要求較低。無人機低空攝影屬于近景攝影測量，攝影測量精度范圍通常在0.1-0.5m，符合1：1000的測圖要求，能夠滿足城市建設對于地形圖的需要。

1.2 無人機攝影測量在我國的發展現狀

隨著計算機技術與通信技術的快速發展，攝影設備及存儲設備的功能也不斷增強，以及各種新型傳感器的出現，使無人機攝影技術得到強有力的技術支撐，無人機的測圖能力得到快速提升，憑借其獨特的技術與性能優勢，在現代化測繪中得到快速發展，實際應用已經相當廣泛，應用前景非常廣闊。

當前，大比例尺地形圖數據采集的方式主要有全站儀、RTK，數字化測圖技術在我國的應用已經比較成熟，大多數測繪單位的數字化測圖生產模式已經成型，傳統的地形圖生產模式已難以滿足城市快速發展的需要，現代化建設隨之而來的是各種不同的需求，計算機技術和測繪儀器不斷更新，無人機攝影測量應運而生。目前多家單位在無人機低空攝影測量方面進行了大量探索與研究，并取得了較為豐碩的成果，積累了一定的經驗，大疆無人機的產品已享譽國內外，南方測繪擁有較為完備的軟硬件系統，無人機攝影測量得到了許多測繪單位的青睞，并正在以較快的速度進行普及。

2 無人機低空攝影測量的工作原理及流程

2.1 飛行前準備

確定航攝方案之前應對測區進行實地踏勘，調查測區的地形地貌及植被情況，飛行空域情況，為之后確定航線及布設地面控制點提供參考信息;對無人機的各項性能參數進行詳細研究，如續航時間、極限航高、攝影設備參數、存儲器容量等進行了解及檢查，結合測區實際情況制定航攝方案。

2.2 制定航攝方案

首先搜集測區已有地形圖資料，作為航攝設計用圖，根據成圖比例尺以及成圖目的、測區具體條件確定航攝比例尺，航空攝影時，應根據無人機型號、成圖比例尺及成圖精度等劃分合理的航攝分區，根據航攝分區確定航線敷設方法。作業前，應選擇晴天，大氣透明度好的時間段。編寫技術設計書應根據技術設計要求確定分區、航線、重疊度等參數，軟硬件設備的選擇應能滿足項目需求

2.3 航攝實施

起飛之前，應對系統設備的工作狀態進行仔細檢查，組織無人機操作人員對航線設計、注意事項及技術規范等進行講評，嚴格按照操作規范進行，飛行時應保持航高，飛行平穩，并實時關注飛機飛行狀態。飛行質量主要包括旋偏角、傾角和重疊度，由于無人機一般體積小重量輕，容易受到風力影響，且操作人員的技術水平也直接影響飛行的穩定性，針對此類問題，主要通過以下途徑進行消除或減弱：

2.3.1 改進硬件，如使用性能更好的無人機及攝影設備，加裝補償器

2.3.2 規范操作，制定完善的切實可行的技術方案，對操作人員進行系統培訓，熟練掌握飛行技巧，飛行過程嚴格遵循操作規程

2.3.3 后期技術處理，利用專業軟件對圖像進行糾正，合理布置控制點。

2.3.4 控制點布設

地面控制點是攝影測量空三加密和制圖的基礎，控制點的布設位置和測量精度直接影響成圖的質量?？山柚延械匦螆D資料及谷歌地圖等選擇地面控制點?？刂泣c坐標的獲取可配合城市網絡RTK或單基站RTK進行測量?？刂泣c的布設應綜合考慮成本以及成圖精度的指標，全野外控制點精度高但費時費力，在滿足成果精度的前提下可適當選取非野外控制點，通過空三區域網平差解算得到加密像控點的地面坐標。較常用的控制點布設方案有區域網法和航帶法，實際工作中應綜合考慮測區地形地貌、地面分辨率和成果精度等，選取最優布設方案。

3 無人機低空攝影測量的數據處理

無人機低空攝影測量通常采用光束法平差，每張影像都是由一束光線構成，將每張相片的光束作為基本單元，利用共線方程進行平差。攝影測量來自測量的交會，利用影像進行測量。更確切地說，它是利用每個象限的像點攝影光線進行交會，獲得對應的物方空間坐標?；谝粋€簡單的事實：三維空間點A（X，Y，Z），攝影中心S（Xs，Ys，Zs）對應像點a（x，y），三點位于一條直線上。從數學的意義上而言，三點共線可用共線方程描述，這是攝影測量的基本出發點。每一個光束在空中的平移、旋轉使公共點的光線實現最佳交會，使整個區域都在已知的地面坐標系中，建立統一的區域誤差方程，由此可以得出區域內所有未知點的地面坐標和每張像片的六個外方位元素。

經過一系列糾正和處理的影像成果，利用航測數字化成圖系統進行立體量測，通過矢量化軟件勾繪出各種地物及地形地貌，經圖幅整飾質量檢查等，生產出符合要求的地形圖產品，矢量化是人為干預最多的環節，生產人員的技術水平很大程度上影響著地形圖的成圖精度，因此，對工作人員的素質與經驗都有比較嚴格的要求。

4 無人機低空攝影測量發展與展望

無人機攝影測量是一門相對年輕的學科，由于它利用攝影設備和計算機代替人眼，使得其無論在理論上還是實踐上都將得到迅速發展，而且它正與新的傳感器和其他測量儀器（如GPS，全站儀，激光掃描儀）等結合起來，給大比例尺地形圖測繪帶來極大便利，也使得成圖精度和工作效率得到大幅提升。無人機攝影測量系統制作大比例尺地形圖的平面精度已經比較容易滿足，而高程精度卻仍舊難以提高，未來將進一步尋求提升高程精度的技術與方法。

參考文獻：

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[2]胡科林???? 基于輕巧無人機的低空攝影測量方法研究 碩士論文

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[4]低空數字航空攝影規范? CH/Z3005-2010 人民共和國行業標準.