张宁　杨润书　甘淑

摘要：

以云南省临沧市某高速公路选线勘测工程为例，试验利用低空无人机遥感技术对山区高速公路带状测区进行航空摄影，内业使用软件Inpho进行空三加密，制作出DOM、DLG等产品。对无人机航摄外业像控测量和内业数据处理主要流程做了详细介绍。通过高质量完成测区1：1000数字地形图产品生产并进行精度分析，证明利用低空无人机航测技术能够为山区高速公路的勘测设计提供准确的地形基础数据，可满足山区带状测区1∶1000地形图精度要求。相比于传统地形测量，展现出航测在山区高速公路勘测方面的优势，提高了生产效率。

关键词：

无人机航测技术；带状测区；Inpho；空三加密；数字正射影像图；数字地形图

DOIDOI：10.11907/rjdk.172944

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）003015504

英文摘要Abstract：Taking a highway survey project in Lincang of Yunnan as an example， it summaries the application of aerial photography using low altitude UAV remote sensing technology for mountainous highway belt area ， through MatchAT to make the result like DOM and DLG. In this paper， the main process of UAV aerial field control and internal data processing are introduced in detail. Finally， the production of 1： 1000 digital topographic map is completed by high quality and the precision analysis is carried out . It is proved that the low aerial survey technology can provide accurate terrain data for the survey and design of mountainous expressway， which can meet the requirement of 1∶1000 topographic map in mountainous belt area. Compared with traditional terrain measurement， aerial survey shows the advantages in the survey of mountain expressway， it improve the production efficiency.

英文關键词Key Words：UAV aerial survey； belt area； Inpho； MatchAT； DOM； DLG

0引言

无人机航测技术是近年来发展起来的一门新兴技术，以其灵活机动、操作维护简单，可以便捷地获取高分辨率影像的特点，成为当下测绘技术的热门[1]。伴随着计算机技术、摄影测量技术的发展，无人机航测技术开始运用到越来越多的专业领域，特别是对于地形条件复杂、高差起伏很大的地域，基本代替了传统的人工测量[2]。无人机航测内业理论不断完善，出现很多无人机航片处理软件，如svs、inpho等，使得航测精度大大提升。

云南省地处祖国西南边陲，主要地形为山区，地形复杂，高差起伏相对较大。在高速公路勘测方面，由于测区有很长的工程区间，范围十分狭窄且地形复杂，精度要求苛刻，运用传统的工程测量方法虽能较好地满足要求，但费时费力，效率低下。无人机低空航摄系统以无人机为飞行平台，利用高分辨率相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹规划和监控、信息数据压缩和自动传输、影像预处理等功能，是具有高智能化程度、稳定可靠及较强作业能力的低空遥感系统[3]。随着无人机航测技术的发展，其已在许多方面展现出优势，比如在农村土地承包经营权、土地整治等方面[4]。本文通过云南省某高速公路勘测的无人机航测生产实例，探讨了无人机航测在山区高速公路勘测中的作业流程，为高速公路勘测选线提供了正射影像图和1∶1 000的地形图。

1测区概况

本项目测区位于云南省临沧市辖区内。测区呈带状，总长约90km，宽约500m，大部分测区位于山区，最低海拔约1 050m，最高海拔约1 850m，高差达800m，任务要求生产1∶1 000的正射影像图和数字线画图，见图1。

2工程实例

2.1实施流程

工程数据的获取是内业处理的前提，只有成像清晰、质量良好的影像才可进行空中三角测量，满足进度要求。无人机影像获取流程以及后续处理流程见图2。

2.2航线设计及航飞

本项目采用DB-2型无人机，航程约150km，最大抗风能力为6级，环境适应能力较强，无人机搭载尼康D810相机进行航拍，相机焦距为35mm，像素3630万，像元大小4.8微米。航线设计将Google地球影像图和SRTM World Elevation Data[5]叠加后进行分区设计，根据规范要求，像片航向重叠度一般为60%～80%，最小不应低于53%。旁向重叠度一般为15%～60%，最小不应低于8%。本次航线设计航向重叠度大于70%，旁向重叠度大于50%。航高根据公式（1）、（2）计算：

H=f×GSDa（1）

H0=H+h（2）

尼康D810焦距为35mm，分辨率为0.1m，像元大小为0.004 8mm，经计算得出摄影航高H为729m。

部分航线分布如图3所示。由于测区是一条狭长的带状，所以设计航线时必须结合飞行轨迹和测区位置综合考虑，保证航测范围略大于带状测区。

2.3外业像控点测量

像片控制点测量，为航测内业成图提供必要的像片平面坐标和高程控制，是保证空中三角测量数学精度的关键环节。外业控制点的布点方案采用区域网布点方法，参照规范GB/T 7391-2008 《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量外业规范》[6]，像片控制点选点条件：

（1）在带状测区的条件下，像控点布设应满足以下要求：①像控点位目标要求清晰，易于判别，选点以地面、较坚固、不易变化的目标为主；②像控点应均匀分布，且在旁向重叠范围内，布设的控制点尽量共用。一般在带状测区两侧200～250m布设，顺着测区每400～650m布设一个点；③线状地物交叉点（正交最佳），明显地物拐角点；④选点位置应避开各类高大建筑物、高压线、较大水面等，弧形地物及阴影不应选作点位目标。

（2）像片条件应满足以下要求：点位距像片边缘不应小于150像素。当目标条件与像片条件矛盾时应着重考虑目标条件。对于无明显特征地物的区域，需要在航飞前进行人工布置十字标记，然后进行采集，可以把提前标记的像控点标在Google地图上，航飞之后便可在影像上找到该点，然后刺点。

本项目还采用了GNSS辅助空中三角测量的方法，就是利用由差分GNSS相位观测值进行相对动态定位所获得的摄站坐标，作为区域网平差中的附加非摄影测量观测值，以空中控制来减少地面控制的方法进行区域网平差[7]。此次像控点多选择特征明显色彩差异较大的地物，在相邻测区也布设有公共控制点，以确保测区接边的精度。带状测区部分像控点分布见图4。

2.4内业数据处理

在内业完成空三加密前需对影像进行预处理，包括导入pos进行航带编辑、畸变纠正、匀光匀色、影像旋转、金字塔生成及图像增强，然后进行空三加密、编辑DEM、正射纠正制作DOM、DLG。内业采用专业的航空摄影测量软件inpho进行空三加密，流程见图5。

内业进行空三加密（见图6），即自动匹配图像同名像点（连接点），然后进行区域网平差，这是整个流程中最关键的环节，匹配过程自动化；然后进行二次加密，在空三转点的基础上进一步加密转点以得到更多的连接点；再进行空三编辑即人工交互编辑，主要操作包括：调节像片的对应关系、量测控制点、删除连接点、增加连接点等。

空中三角测量依据CH/Z 3003-2010《低空数字航空摄影测量内业规范》要求，具体精度要求满足其规定，见图7。

经过空三编辑后进行DEM制作，数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型[8]。本次采用空三加密输出的结果进行密集匹配，然后根据密集匹配结果设置数字高程模型格网尺寸，用软件自动生成DEM。对生成的DEM采用软件VirtuoZo进行检查，对DEM出现异常区域的部分进行修正。

本项目采用inpho的光束法区域网平差法进行空三加密，建立工程后匹配连接点，匹配策略采用特征匹配和最小二乘匹配穿插进行。由于之前进行过像片的畸变矫正，所以未采用软件的自检校参数。完成匹配连接点后sigma值是0.5，符合规范要求。

光束法区域网平差的基本思想是：以每张像片所组成的一束光束作为平差的基本单元，以共线方程作为平差的基础方程。通过各个光束在空中的旋转和平移，使模型之间公共点的光线实现最佳交会，并使整个区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去[9]。根据每张像片上控制点、待定点的像点坐标，按照共线方程条件列出误差方程式，整体求解全区域内每张像片的外方位元素以及所有加密点的地面坐标，主要内容包括：

（1）获取每张影像的外方位元素及连接点点坐标的近似值。

（2）由每张像片上的控制点和加密点的像点坐标，根据共线方程式列误差方程式。

共线方程式是光束法平差的基础数学模型[10]，见式（3）、式（4）。

x-x0=-fa1 （XA-XS）+b1（YA-YS ）+c1 （ZA-ZS）a3 （XA-XS ）+b3 （YA-YS ）+c3 （ZA-ZS） （3）

y-y0=-fa2 （XA-XS ）+b2 （YA-YS ）+c2 （ZA-ZS ）（a3 （XA-XS ）+b3 （YA-YS ）+c3 （ZA-ZS ） （4）

式（3）、式（4）中：x、y为像点的像平面坐标；x0、y0、f为影像的内方位元素；XS、YS、ZS为摄站点的物方空间坐标；XA、YA、ZA为物方点的物方空间坐标；ai、bi、ci（i=1，2，3）为像片的3个外方位角元素组成的9个方向余弦。

完成匹配连接点后，开始量刺像控点。首先测区4个角刺4个控制点，然后平差一次，余下的像控点软件就会预测到比较准确的位置，然后一一进行微调刺准即可，如图8、图9所示。

2.5DEM编辑

由于测区有植被覆盖，房屋较多，所以在制作DOM前先对DEM进行编辑，使DEM切准地面，以DOM影像完整、美观为准。在inpho中可以对生成的DEM进行手动编辑，利用inpho的点云内插功能对滤波效果较差的区域进行内插平滑处理。

2.6DOM制作

DOM制作過程：①选用色彩亮度较为合适的影像作为模板，对畸变处理后的影像进行整体匀光匀色；②利用修正后的DEM对匀光匀色的影像进行数字微分纠正，完成单幅DOM的制作；③对单幅DOM进行影像镶嵌；④对镶嵌后影像进行编辑，包括拼接线的编辑和影像拉花变形编辑。

拼接线应根据地物的情况选取，如拼接区域通过居民地时，拼接线可以绕过居民地，最终保证拼接线两边的地物色彩平衡，亮度反差适中，见图8。

2.7DLG制作

采用“先内后外”的作业方式，指先在室内利用已有的影像图对地物实行判读和采集，然后把内业初步生成的DLG成果叠加到DOM上制作调绘片，供外业到实地进行调绘，对内业的采集结果进行校对和改正，最后再对外业成果进行整理编辑并最终成图[11]，见图9。

3数据精度分析

为保证最终成果的可靠性，在外业采集一系列的高程点作为精度的检验条件，采用GPS-RTK在测区均匀采集302个点。高程精度检查点主要是道路交叉口、田坎交叉处、水沟沟底高程等，检查点分布位置均匀并具有代表性，检查位置点302个误差为0.36m。可以看出，生产的地形图精度满足测绘规范对1∶1 000地形图的精度要求，见表3。

误差精度分析公式：

MΔH=∑ΔH2n-1（5）

式（5）中，m为点中误差值，单位为米（m）；Δ为内外业采集高程点残差，单位为米（m）；n 为参与精度评定的点数。

4结语

云南省属于祖国西南高原地区，地形条件复杂，属于山地地形，常规测量十分艰苦。本文基于无人机航摄系统获得影像数据和POS数据，探讨了航测山地带状测区的关键技术。通过临沧市某段高速公路工程的研究实践，运用inpho软件进行空三加密，按照规范生成1∶1 000的正射影像图，利用其制作了地形图。将实地量测检查点坐标和基于模型生成的地形图中检查点的高程坐标进行对比，证实无人机航摄在高速公路勘测方面可以满足实际要求。与传统测量技术相比，大大减少了外业工作量，降低了生产成本，提高了作业效率。

参考文献参考文献：

[1]杨润书，吴亚鹏，李加明，等.无人机航摄系统的特点及应用前景探讨[J].地矿测绘，2011（1）：812.

[2]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报，2014（5）：505513.

[3]李永树.基于无人机技术的地形图测绘研究[J].测绘，2011，34（4）：147151.

[4]万保峰，杨润书，王亚男，等.基于无人机技术的山区1∶2000地形图的成图精度控制[J].地矿测绘，2015（3）：3449.

[5]杨尧兰.天狼星无人机摄影测量系统在大比例尺成图中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2016.

[6]曹明兰，薄志毅，李亚东.无控制点数据的无人机影像DOM快速制作[J].测绘学报，2016（8）：3538.

[7]刘葛.基于Matrix软件系统正射影像图的研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.

[8]陈天祎.基于CIPS的低空无人机遥感影像处理研究[D].抚州：东华理工大学，2013.

[9]徐红岩.基于DGPS技术的低空摄影测量应用研究[D].赣州：江西理工大学，2015.

[10]肖亮明，陈建忠.无人机航测技术在国土资源管理中的应用[J].测绘地理信息，2017，42（5）：9699.

[11]石平，鹿荻，申勇智.Inpho與Photomod软件在无人机数字正射影像图制作中的对比[J].城市勘测，2016（3）：7988.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）