低空无人机在公路改建1∶2000带状地形图测绘中的应用研究

张培 蒋达 孙莉 贺晓阳

（1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；2.河南省测绘工程院，河南 郑州 450003）

1 引言

当前，在公路带状地形测绘中主要采用GNSS RTK测绘法、全站仪测绘法和传统的航空测绘法[1]。其中，GNSS RTK测绘法和全站仪测绘法所需的人力、物力较多，工作难度较大，对建筑密集地带无法精确测量。传统的航空测量受天气影响较大，成本高、拍摄周期长。近年来，无人机低空航摄凭借低成本、易操作、生产周期短、精细准确、不受外界多数因素干扰、适用于危险区测绘等优势，被广泛应用于灾害监测、城乡规划、工程建设、资源监测、基础测绘等领域[2-3]。

本文针对传统公路带状图测绘费时费力的特点，通过对无人机航摄系统关键技术进行研究，一方面革新了大比例尺带状地形图的获取方式；另一方面提高了复杂地形中的精度，满足了大比例尺测图技术要求。

2 无人机航摄系统及技术流程

2.1 无人机航摄系统简介

低空无人机(unmanned aerialvehicle，UAV)航摄系统是集无人驾驶飞行器、遥感及GNSS导航定位等技术于一体的高机动性、低成本、小型化、专用化遥感系统，包括无人机飞行平台、飞行控制系统和非量测型面阵CCD数码相机，及地面站、远程无线通信装置、地面数据处理系统等辅助设施[4]。（如图1所示）

2.2 生产技术流程

在带状公路地形测量中，无人机航摄的生产技术流程由接受任务开始，经室内方案设计、航空拍摄、控制点测量、空三加密、内业测图、资料整理六大阶段[5]，分为16个步骤。（如图2所示）

图1 无人机航摄系统组成

3 无人机在公路改建测量中的应用

项目作业区域拟改建公路全长28.37km，以1∶5万线路中线为基础，向两侧各外扩150m。线路属山地地形，一般地形和隐蔽地形都有分布，地物较多，植被有水田、旱地、果园、树林、灌木等。部分地区树林密集，地物杂乱无章，沿线道路交通不便，通视情况较差。

3.1 控制测量

航摄前进行平面及高程控制测量：测区范围共布设GNSS控制点10个，控制网概略图如图3所示。平差后，在CGCS2000坐标系中，点位三维中误差范围为±2.2～±4.9mm；对10个GNSS控制点采用二等几何水准技术标准观测，平差后点位高程中误差范围为±0.1～±1.1mm，满足技术规范要求。

3.2 无人机航空摄影

完成控制测量后，依据测量宽度设计航线，共设计6个飞行架次。航飞平台主要为CW-30，采用尼康D810单反相机，焦距为88.59mm。要根据气候条件选择最佳航摄时间。横向覆盖区域加上20%的宽度，向外延伸两条基线，分辨率为0.12m。制作像片的控制点标识，常采用1.5m的方形喷绘纸，将其制作成较易辨识的黑白相间的三角形符号。在实际测量中，地形较为复杂的区域，地面可视度较低，对线路中线周围的控制点进行设置时，须使用辨识度较高的布标，以保证测量精度及后续成图处理的准确度。通常选用边长1.5m的正方形喷绘布制作4个黑白相间的三角形布标。

图2 生产技术流程

图3 GNSS控制网布设示意图

3.3 空三加密

空三加密是无人机影像处理的关键，也是整个处理流程的难点，主要目的是为缺少野外控制点的地区测图提供绝对定向的控制点。无人机影像像幅小、数量多，一个小的区域网就会有上千张影像，且由于无人机飞行受外界条件影响，航向和姿态角的偏差较大，采用传统的加密方法及软件无法满足要求。

实际作业中采用的PixelGrid系统是专门针对无人机影像特点开发的无人机影像快速处理模块。在相对定向和模型连接完成后，针对因航飞不稳造成模型连接不稳的地方，定义航带初始偏移量时适当增加偏移点个数，提高模型间转点的成功率和精度。对于部分自动连接失败的模型，通过人工干预增强连接强度。

测区自由网解算连接点上下视差保持在1个像素以内（6.4μm），模型连接较差达到规范要求。控制点、检查点均在立体观测下准确量测。加密运算结果的平面精度为0.48m，高程精度为0.32m，达到项目要求。

3.4 内业测图

内业矢量测图采用Virtuozo数字摄影测图系统，进行立体数据采集，立体像对直接导入空三加密成果，局部编辑测图如图4所示。

图4 内业编辑立体测图

内业测图主要采用全野外刺点测图，对不符合现状的地物进行野外补测，用测标在模型上描绘。有植被覆盖时，通过植被高度进行改正。在野外的高程点和立体模型中，树木密集和隐蔽的地方，高程点读两次，读数差为0.4m，中数标记为0.1m。同时对独立地物、架空管线和各级道路进行测绘。房物标明建筑结构和层数，植被区分为经济林和用材林，旱田、水田、蔬菜果园、村镇、河流、大山、铁路和管线等要清晰标注。最终运用CASS软件将矢量的地形图转换为传统的DLG地形图。局部成果图如图5所示。

3.5 外业调绘及精度检查

外业调绘是保证地形图质量的重要环节，一定要走到、看到、问到。将矢量线划图（DLG）套合正射影像（DOM）作为外业检测、补测和调绘的工作底图，严格按《公路勘测规范》（JTG C10—2007）、《公路勘测细则》（JTG/TC10—2007）的相关要求执行，对航摄成图进行实地全野外属性调绘，并修测、补测，最后通过内业编辑数据，以提高成图精度。

图5 局部成果图

（1）DEM和DOM精度分析

按照项目要求，成图比例尺为1∶2000，成果精度满足《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z 3003—2010）要求，测区总体地形为平丘地，空三加密点精度平面中误差为1.75m，高程为1m。经统计，平面检核点85个，高程检核点97个，按照1∶2000比例尺DOM、DEM标准进行精度检测，结果如表1所示。经分析，测区DOM平面检测点点位精度误差最小值为0.157m，最大值为0.589m，平均值为0.346m，检测点平面中误差为0.452m。DEM高程检测点点位精度误差最小值为0.22m，最大值为0.568m，检测点高程中误差为0.346m。

（2）DLG精度分析

为检验DLG成果的可靠性，在测区不同区域采集了128个明显地物点、276个地形点进行精度统计，其中地物点点位中误差为0.482m，等高线插值的高程中误差为0.457m，结果完全满足《公路勘测规范》（JTG C10—2007）中1∶2000地形图测量和公路设计要求。

表1 DOM平面精度和DEM高程精度分析结果（m）

4 结语

通过实际案例分析可知，无人机航摄技术可满足公路带状1∶2000地形图测绘的要求，提高了公路测绘的速度和精度，节约了人力、物力等成本，为公路带状测图项目提供了新的解决方案，同时可更好地为大比例尺基础测绘工程提供服务和保障。