无人机航空摄影测量技术在地形图测绘中的应用

无人机航空摄影测量技术在地形图测绘中的应用

龚松

武汉市政设计研究院勘测分院 湖北省武汉市 430000

摘要：科学合理地利用数字地形图测绘是保证测绘工程顺利实施的关键。合理运用数字地形图测绘中全站仪、静态GPS全球定位系统等先进技术可大幅提升测绘精准度，为我国数字地形图测绘工作顺利实施奠定良好的基础，提供丰富有效的数据支撑，进而提升工程质量。

关键词：无人机；航空摄影测量技术；地形图测绘；应用

1无人机航摄系统

无人驾驶飞行器的航空摄影控制系统通常由飞机平台、主要任务设备、地面控制点、发送和处理控制系统等组成。本文实验项目测点使用大疆M210RTK多旋翼平台、空中监测模块搭载X5S摄像机、空中制控系统使用大疆DJIGSPRO、DJIGO4空中监测控制系统，信息处理使用PIX4D、EPS清华三维、Global-Mapper等影像处理软件。因此，运用无人机飞行测量技术，可利用其自身优势，处理较为复杂的数据，在数据量很大的情形下能够达到要求。

无人驾驶客机的飞行测量工作过程大致分为外业测量与内业处理两部分。其中，外业测量主要包含：1）获取数据，确定测点范围；2）估算施测工作范围及航空摄影参数，并总体规划航线；3）图像控点布设及测量；4）无人驾驶客机图像的获取工作；5）外业调绘。内业数据处理过程包含：1）空三加密；2)DOM、DSM生成；3）裸眼测图；4）生成；5）编辑成图；6）数据检查，竣工验收。

2无人机航测技术的优点

2.1具有较高影像数据分辨率

无人驾驶飞行器的空中测量技术是结合无人机技术、GPS定位系统技术、照相技术的新型测量技术，立足于低空飞行，利用高分辨率照相技术进行。以目前无人机飞行测试技术水平而言，在无人驾驶航空器飞行测试过程中所获取的影像数据清晰度可达到米级。和传统的地面测量技术相比较，无人驾驶飞行器航测技术有更广泛的应用，可以到达传统地面测量技术无法达到的地方，且所获取的数值更精确，减少了因地面测量人员操纵飞机而产生的偏差。因此，无人驾驶的空中探测技术被广泛运用在矿井地质检测、大面积地质测量等方面。

2.2具有较高数据获取效率

传统的测量技术所需的人员、物质资源非常庞大，且所获取的测量数据期限过长，大大降低了测试效益。无人机航测信息技术是以现代化的遥测遥控技术、GPS定位系统信息技术、低空飞行信息技术以及数据通信技术为基础研发出来的新型信息技术，不需要复杂的人工操纵，具有灵活方便、数据精确、应用范围广的优势，大大提高了单位时间内的数据采集效率，有效降低了测试成本，实现了更高的经济效益，并有广阔的应用前景。

2.3 具有较强社会经济效益

无人机航空测量技术的应用成本相对较低，且由于该技术融入了先进的互联网科技、通信科技、计算机等，所以，相关人员在无人机航空测量技术的使用过程中更加方便快捷，不仅达到有效收集航空数据的目的，而且大大提升民用无人机航空测量技术的社会经济效益。另外，无人机飞行航测技术在低空飞行过程中，能够获得大区域内的航拍摄像数据，大大减少测量周期，节约了测绘时间，且测量结果更为精确，为现代测量技术的迅速发展奠定基础。

3无人机航空摄影测量技术在地形图测绘中的应用

南沟门水利枢纽工程位于陕西省延安市黄陵县境内,水库坝址位于葫芦河河口上游3 km处的南沟门附近,距黄陵城约25 km。南沟门水库枢纽总库容2.006亿m3,枢纽主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、溢洪道、引水发电洞、坝后电站等五部分组成。其中大坝、导流泄洪洞、溢洪道为2级建筑物；引水发电洞因供水对象的重要性也定为2级建筑物,坝后电站属5级建筑物。

3.1 搭载相机

为提升航测效率和获取高精度成果数据,本次无人机航测系统搭载的是睿铂DG4 Pros五镜头倾斜相机,相机重量900 g,采用全画幅的CMOS传感器,单镜头像素4200万,正射光学镜头焦距值40 mm,倾斜镜头焦距值60 mm。

3.2 航线设计与影像采集

航摄线路规划时,应用地面控制软件CWCommander进行规划。根据本测区1∶2000比例尺测图的要求,设计相对航高350 m,地面分辨率优于5 cm,为保证倾斜数据的完成性和精确性,航线规划范围在测图范围基础上整体外扩一个航高的距离,并保证航线航向重叠度80%,旁向重叠度70%。根据南沟门水库范围和成图比例尺要求,综合CW-10 C无人机续航能力、影像分辨率等因素,最终本测区共规划8个架次的外业航飞任务。

3.3像控点布设及测量

无人机航测影像像幅小,且易受飞行质量影响,采用传统的摄影测量布点方式,不但控制点数量多,且实施起来比较困难,无人机影像倾斜角过大且倾斜方向没有规律,造成航向重叠度不规则、灰度不一致,使得影像匹配难度大,精度低。飞行航线呈曲线、旋偏角大,使得影像的旁向重叠度不规则,这对于连接点的提取和布设增加了难度。

本次像控布设采用区域网布点方式,首先在测区外围角点处布设像控点,然后在测区内部均匀增加相应的内部控制点,共布设56个像控点,其中40个点为像控点参与平差计算,16个点为检查点用于验证精度。像控点统一采用RTK测量,平面坐标系统为CSCS2000坐标系统,高程基准为1985国家高程基准。

3.4无人机倾斜航摄

利用多旋翼、固定翼搭载高分辨率的多镜头倾斜相机，对测区进行倾斜摄影航摄，得到高分辨率的影像数据。分区要求：每个航摄区域（一个架次）内的地形起伏固定翼的不能大于1/6航高，否则必须分区航摄。分辨率选择：分辨率必须优于1/3Δm,Δm为地形图精度中误差。航摄时空气能见度必须高、不能有雾，房屋影子不能过大。像片的旁向重叠度一般为75%-80%，航向重叠度一般为80%-85%。航摄时实际航线的范围要比测区范围四周外扩1个相对航高的距离。固定翼航摄时，差分系统的基站要尽量架设在测区中间，基站运行时间不能少于2小时。

3.5  倾斜数据生产

3.5.1数据准备

数据准备环节的主要任务有两个：其一,是将影像数据、相机文件、pos数据处理至空三加密软件所需的格式；其二,由于倾斜相机在拍照时会获取接近30%的无用照片,直接进行空三加密会导致空三加密效率的降低,在进行空三加密前需将无用照片进行剔除。

本次航飞共获取40950张照片,通过导入飞行的pos数据和范围数据,应用成都睿铂科技公司研发的SKYfilter软件成功将无用照片删除,删除后照片数量变为31941张照片,提高了数据处理的工作量。

3.5.2空三加密

空三加密是倾斜模型构建的核心环节之一,空三加密时,首先进行自由网平差,自由网平差完成后为提高成果的位置精度水平,需要将外业采集像控数据刺点至对应的像片,要求同一个点各个视角需选刺一定数量且连续的像片。最后,对刺点完成后的影像成果进行区域网平差。

目前常用的倾斜模型生产软件为Context Capture软件,但该软件对于弱纹理、加密照片数量大的测区空三通过率较低,因此本次空三加密选用的是M3D软件,该软件空三通过率较高,可极大提升空三加密效率。

3.5.3实景模型重建

实景模型重建是自动化处理的过程,需要提前设置重建模型范围、瓦片大小、输出格式、坐标系统等,设置完成后提交生产任务自动进行三维实景模型重建。三维模型重建流程主要是基于原始影像和空三成果,经三维TIN构建、生成三角面、纹理映射等步骤。

结论

数字地形图测绘技术在测绘工程中发挥着重要作用，不仅能够有效改善传统测绘技术的不足，而且可以降低工作强度，保证测绘成图的精度和数据的准确性，进而提高测绘效率。

参考文献：

[1] 向院.新型数字化测绘技术在矿山地质工程测量中的应用分析[J].建材与装饰,2019(10):225.

[2] 奎春香.地形图测绘中数字测绘技术的应用[J].工程技术研究,2019(15):81-82.