尚海兴,薛绍军,雷建朝,黄文钰,杨 刚

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)04—0018—05

无人机低空摄影测量技术在水电工程测绘的应用

尚海兴,薛绍军,雷建朝,黄文钰,杨 刚

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

阐述了低空航测系统的发展现状和系统组成，探讨了利用该系统进行航测作业的技术流程，并进行DLG、DEM和DOM数字产品生产试验，最后对成果进行精度评定和可行性分析，结果表明低空影像可用于小区域的大比例尺快速地形测绘。

低空影像；无人机；地形测绘；DOM

0 前 言

相对于航空航天遥感平台，低空遥感平台有着独特的优势。① 传感器为小像幅数码相机，作业成本低；② 无需申请空域，起降灵活,能实现快速测绘；③ 云下摄影，能够获取大比例尺高精度影像，在局部信息获取方面有着巨大的优势；④ 影像重叠度高，有利于提高后续处理的可靠性。由于上述的诸多优势，无人机低空摄影测量技术已成为大飞机与卫星遥感平台的有效补充，特别适合较小面积测区的航空摄影测量，现已逐步从试验研究走向生产应用[1]。

1 低空航测系统概述

图1 无人机低空航测系统组成图

无人机低空航测系统一般包括空中航摄系统、地面控制系统及数据处理系统，如图1所示。无人机航测系统工作流程为：首先根据任务要求对测区进行航线规划，地面控制子系统按照规划的航线，借助自动驾驶仪控制无人机飞行和拍摄作业。空中摄影子系统将拍摄的数据进行存储，无人机平台利用无线传输通道与地面控制子系统交换数据，地面工作人员通过该数据实时监测无人机的飞行航线，并对飞行航迹做必要调整。飞行任务结束后，地面控制飞机降落，下载影像，并快速进行影像质量快速检查，决定是否补飞。合格的影像转入内业，借助摄影测量工作站进行测绘产品(DLG，DEM，DOM等)的生产[2]。

2 低空航测工作技术流程

低空航测作业流程可归结为3个阶段：准备阶段、外业实施阶段和内业数据处理阶段，如图2所示。

图2 无人机低空航测工作技术流程图

2.1 测区概况

测区为黄河上游某水电站，高原半干旱型气候，测区西北部为高山区，西南部为水电站库区(大面积水域)，中间黄河贯穿，东南部主要为村庄和农田，植被覆盖较为严重，整个测区平均海拔2 000 m，最大相对高差300 m。本次作业主要完成覆盖水电站以及附属设施等区域的5.36 km2的1∶2 000(2 m等高距)比例尺DOM、DEM、DLG数据制作。

2.2 影像获取

(1) 航高设计：测区影像获取方式采用微型固定翼无人机搭载Canon EOS 450D单反相机,像幅大小4 272 pixel×2 848 pixel，像元大小5.20 μm，焦距24.308 mm。根据相对航高计算公式并兼顾精度与效率，摄影GSD(Ground Sample Distance)设为0.15～0.20 m[3]。考虑测区地形起伏较大，为满足整个测区成图精度满足1∶2 000地形图测图精度，相对航高比理论航高较低，设为600 m。全区设1个航摄区，飞行了1个架次，平均地面分辨率为0.13 m。

(2) 航线设计：根据摄影区域地形情况、起飞场地情况、摄影分辨率、数码航测新型解算理论(即多基线自动空中三角测量解算)，以及航片重叠(航向重叠75%～85%，旁向重叠45%～55%，旁向最少不小于30%)要求等要素，使用“微型无人机低空遥感系统”自带程序进行自动航线设计，共布设11条航线。

(3) 航飞数据检查：航飞后共计完成航空摄影面积7.4 km2，584张航片，及时下载航摄影像与POS数据，经测区全景图快速拼接[4-6]进行航摄漏洞检查，基于POS数据进行飞行质量评估。经检查飞行质量和影像质量满足文献[3]的要求。飞行质量检查：① 实际航摄影像覆盖，航向超出范围外1条基线，旁向超出范围线大于像幅的15%；② 像片航向重叠大于60%，旁向重叠大于30%；③ 旋偏角一般小于10°。影像质量检查：① 影像无重影、虚影；② 影像反差适中、层次丰富、能辨别与摄影比例尺相适应的细小地物影像，满足外业全要素精确调绘和室内判读的要求；③ 影像色彩饱和度适中，无暗影和光晕。

2.3 像控点的布设与测量

无人机航摄传感器品类繁多，像控点布设密度的研究还未有较为成熟的理论。本次任务像控点布设方法根据文献[2]中关于像控点航向基线数跨度估算公式，计算出理论基线数不超过4条。当连接点平面中误差确定后，基线跨度与相机的放大倍率相关；当连接点高程中误差确定后，基线跨度与基高比相关。

根据相关试验[7]结论：当航向基线跨度数小于或等于6时，布设野外像控点进行区域网平差，其平面和高程精度均可达到规范[8]对1∶2 000丘陵地的精度要求；当基线跨度数大于6条小于24条，平面精度成果可用，高程精度不达标。

因本次任务地面分辨率优于相应规范要求，故像控点布设方案如下。

(1) 航向：5～7条基线布设，西侧水库边缘可适当将基线跨度数降为4条。

(2) 旁向：平缓区隔航带布设1个，起伏较大的西侧逐航带布设。

成图区域面积5.36 km2共计布设像控点28个(如图3所示)，其中山丘和林地中地物不明显区域布设飞前地标式像控点18个，飞后选刺地物像控点10个。地标式像控点应置平在易寻找的空地，对空视角好，避免周边树木或建筑物遮挡。

根据规范[2]的要求，像控点测量的平面中误差不超过地物点中误差1/5，高程中误差不超过基本等高距的1/10，根据坝址区已有GPS控制网成果，采用GPS-RTK测量模式进行像控点的测量。实测中采用2次取平均值的方法获取最终观测结果。

2.4 影像畸变改正

相对量测型航摄仪，非量测性单反相机存在较大影像畸变差，空三(空中三角测量)加密前需借助相机检校文件对航摄原始影像进行畸变差改正，该步骤在无人机影像空三加密前处理十分必要。附加

图3 像控点布设分布图

参数的光束法平差中的系统畸变改正模型[9]如式(1)所示：

(1)

根据3个测区的数据试验结果，对原始影像进行单文件畸变改正后的纠正文件参与平差的结果优于直接对原始影像进行附加参数的光束法平差的结果。

2.5 空三加密

低空影像重叠度大，空中三角测量时，每个地面点对应的像点观测值较多，大量的多余观测有利于观测值的粗差探测和剔除[10]。光束法区域网平差以每张像片所组成的一条光束为平差的基本单元，以共线方程为平差基础方程。如数码相机检校文件不准确，平差时需要将相机畸变参数作为未知数进行自检校光束法区域网平差，如式2所示。

(2)

式中: x、y为以像主点为原点的像平面坐标；f为相机主距；X、Y、Z为物点的地面坐标；XS、YS、ZS为外方位线元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3为外方位角元素表示的方向余弦。

低空影像在空三加密中，由于影像重叠度不均匀、旋偏角大、成片水域和植被覆盖等原因，相对定向自动转点的标准点位可能缺点，部分像片需要人工加点，另外库区落水面积大于像幅1/2以上的影像剔除加密。

采用航天远景DATMatrix2.0进行空三加密，相对定向精度不大于1/2像素，自动提取连接点后利用Patb粗差探测剔除粗差点。根据国家标准[8]对丘陵地基本定向点的平面位置和高程中误差限差要求对本测区的地面控制点绝对定向精度统计如表1。

精度分析：从表1空三平差成果看，像控点平差结果平面坐标残差均小于0.6m，高程残差大部分不超过0.26m，因采用了隔航带布点在高程控制上强度较弱，但基本满足丘陵地1∶2 000比例尺成图精度要求，为有效保证测高精度，宜采用逐航带布设像控点，兼顾到效率，在精度较弱区域采集了少量高程散点作为高程控制点参与区域网平差计算来提高局部高程精度达到规范要求。另外摄区的特殊性在于地形起伏高达300m却使用了同一航摄分区，如此会造成航摄比例尺不尽相同导致区域网平差精度分布不均。

表1 区域网平差像控点残差统计表

图4 DOM与DLG套合快速检查图

2.6 数字产品制作

2.6.1DLG制作

内业采编：立体测图采用了航天远景的FeatureOne特征采集平台。为提高采集效率和精度，采用了等高线采集和地物调绘分别进行。FeatureOne提供了强大的图形编辑功能，基本实现数字线划图的采编一体化。根据外业调绘片仔细辨认地物属性，及时进行标记，以免遗漏。在森林覆盖区域，先采集植被覆盖缝隙裸露地面的高程点，在采集概略等高线，然后以采集的高程点作为地形控制点，修改概略等高线。最终将采集成果导入AutoCAD中进行编辑和图层转换。

2.6.2DEM与DOM制作

自动空三完成后即可借助MapMatrix4.1平台通过自动匹配生产测区DEM。但因现实地物的复杂性，为了提高DEM的精度，需要对树木、水域和人工地物进行人工编辑。

根据编辑的高精度DEM，可以对影像进行几何纠正，在航天远景EPT平台下通过镶嵌线自动搜索和人工编辑，并进行适当的色调均衡处理，自动镶嵌处理成全区正射影像。对全区DOM进行图廓整饰和图面注记可制作正射影像挂图。

DOM精度的目视检查可通过与对应区域DLG套合检查，基于AutoCADVBA编程实现测区DLG与DOM套合显示,如图4所示。

2.7 精度评定

为对DLG与DOM测图精度进行有效检查，在航飞后采集遍布测区有代表性的碎步点作为成图精度检查点，检查点样本在全测区分批次独立获取，具体精度统计结果如表2、3所示。

根据两表的统计结果，无人机影像的DOM的平面精度是可以保证的，而高程精度在当前像控点的分布与密度前提下虽少数检查点高程较差超限，但高程中误差可达到国家标准要求。结果表明了低空航测系统在小范围大比例测图中的可行性。

表2 DLG高程精度统计表

表3 DOM平面精度统计表

3 结 语

低空航测作业流程的试验表明，合格的低空影像可以满足大比例航测成图的要求，并取得合格测绘产品。根据空三加密结果，并结合DOM与DLG的检查结果表明，像控点的布设密度除遵循行业标准外，在精度较弱地区加布高程散点可提高局部成果的高程精度；航摄比例尺的不均匀会导致空三加密精度的不均匀，故在高落差地区合理划分航摄分区仍需考虑；无人机搭载相机多数为非量测型相机，影像畸变差改正对空三加密计算尤为重要，精准的相机检校可有效消除上下视差。笔者认为加大无人机有效载荷可增强传感器获取信息能力，微型化高精度POS设备(如差分GPS)可有效减少外业像控工作量，这两点可有效拓展无人机测绘的应用领域，将成为测绘型无人机的发展方向之一。

[1] 晏磊. 无人机遥感信息平台建设与CMOS成像初步研究. “数字近景摄影测量”学术研讨会[C].武汉: 武汉大学,2004.

[2]CH/Z3004-2010,低空数字航空摄影测量外业规范[S].北京：测绘出版社,2010.

[3]CH/Z3005-2010,低空数字航空摄影规范[S].北京：测绘出版社,2010.

[4] 尚海兴,黄文钰.无人机低空遥感影像的自动拼接技术研究[J].西北水电, 2012,(2):14-18.

[5] 狄颖辰.无人机图像拼接算法综述[J].计算机应用, 2011,31(1):170-173.

[6] 鲁恒.一种基于特征点的无人机影像自动拼接方法[J].地理与地理信息科学,2010,26(5):16-19.

[7] 无人机航摄影像测绘地形图的精度探讨[J].测绘，2012,35(4):174-176.

[8]GB/T23236-2009，数字航空摄影测量空中三角测量规范[S].北京：中国标准出版社,2009.

[9] 冯文灏.近景摄影测量——物体外形与运动状态的摄影法测定[M].武汉：武汉大学出版社,2002.

[10] 张永军.无人驾驶飞艇低空遥感影像的几何处理[J].武汉大学学报, 2009, 34(3):284-288.

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Application of Technology of Low-attitude Photographing by Drone in Hydropower Engineering

SHANG Hai-xing, XUE Shao-jun, LEI Jian-chao, HUANG Wen-yu, YANG Gang

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The development status and system components of the low-attitude aerial surveying system are described. The technical flow of the system to be utilized for the aerial surveying operation is studied as well as the production tests of the digital products of DLG, DEM and DOM are performed. Finally, the results are evaluated and analyzed in terms of precision and feasibility. The study presents that the low-attitude image can be applied for the rapid topographic mapping, in a larger scale, of the small region.Key words: low attitude image; drone; topographic surveying and mapping; DOM

2014-09-22

尚海兴(1985- )，男，陕西省渭南市人，助理工程师，从事数字摄影测量和水电工程测绘工作.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.005