无人机航测在地形测量中的应用

无人机航测在地形测量中的应用

宁朝阳周茜

信阳珠峰测绘信息技术有限公司

【摘要】无人机航测具有测量速度快、成本低、分辨率高、机动灵活等优点，因而在大比例尺航测成图方面获得广泛应用。本文对无人机航测系统组成与地形测量方法进行了分析，并结合工程案例展示了它在地形测量方面的应用。

【关键词】无人机航测；地形测量；应用

无人机航测是以无人机作为飞行平台，利用高分辨率数码相机获取影像的测量技术。它是继卫星遥感、大飞机航测之后又一项重要的技术，因其具有成本低、成图快、机动灵活的突出优势，而在近些年来迅速推广应用[1]。目前，无人机航测已在城市规划、地质监测、应急救灾、地籍调查、工程测量等领域获得很好的应用[2，3]，无疑其应用前景一片光明。地形测量是上述应用的基础，因此本文对无人机航测在地形测量中的应用进行了探讨。

1无人机航测系统组成与地形测量方法

1.1系统组成

无人机航测系统由飞行平台、飞控系统、任务设备、地面监控系统、数据处理系统、地面保障设备等组成。飞行平台是具有无线遥控及自身程序控制功能的无人驾驶飞行器，目前主要采用固定翼无人机、旋翼无人机（无人直升机）和无人飞艇三种类型飞行器，但航测以固定翼无人机最为典型，《无人机航摄系统技术要求》（CH/Z3002-2010）也以固定翼轻型无人机作为飞行平台，这是因为固定翼无人机作业效率要比旋翼无人机高得多，同时它对飞控的要求也比旋翼无人机低，而无人飞艇速度较慢、悬停时间长，更适于监视用途而非航测。飞控系统是对飞行器的飞行姿态和运行参数进行控制的系统，也就是对无人机飞行进行控制和对各种任务进行管理，由飞控计算机、GPS导航定位系统、飞行控制器及气压高度表、空速传感器等组成，以实现航测所需要的导航、定位及自主飞行功能。任务设备即数码相机，用以摄取高质量的影像。地面监控系统包括监控计算机、遥控设备、数传电台及天线、地面电源、监控软件等。数据处理系统主要任务是对航测资料进行处理以获取所需的测量成果，如通过影像畸变校正、自动空三测量等获得数字正射影像图（DOM）、数字线划图（DLG）、数字地面模型（DTM）等成果。地面保障系统包括运输车辆、无人机支持系统等。

1.2地形测量方法

无人机航测的工作流程如图1所示。

根据测量任务，确定航测的范围及飞行路线，设定航摄参数及绘制领航图。其中航摄参数和飞行路线的确定是重点。

根据相机分辨率、测图比例与精度要求可确定作业高度。航高与地面分辨率存在的关系（为镜头焦距，为航高，为像元尺寸，为地面分辨率）。以Canon5DMarkⅡ相机为例，采用35.4735mm焦距镜头，像元大小6.4μm，现航测范围确定为10km2，地形图比例尺为1：1000，当高差不大时地面分辨率取10cm，可算出航高=554m，所以相对航高可选择550m。

飞行路线要覆盖所测区域，航线之间要有所重叠，同时又要提高作业效率，避免重叠过多，这样就需要仔细策划设计，如把测区分段，段再分带。为了避免漏点，航向覆盖要求重叠度在60%～80%之间，旁向覆盖要求重叠度在15%～60%之间。将这些数据输入航线设计软件，就可以确定飞行路线、拍片数、基线长度等参数。飞行方向可选择东西向，或南北向，也可根据地貌特征沿河流、海岸、测区边界方向。飞行转弯时倾斜角≯15°，以免GPS信号失锁。航摄时应天气晴朗，能见度高，风力3级以内，时间则以9：00～16：00为好，地面物体阴影较小，有利于清晰显现地表细节。

像控点应选择特征清晰、垂直方向无重叠的地物，例如道路行车线与斑马线、花台角、平房屋角等物，或者影像尺寸不超过0.2mm的点状物中心。如果现场无可用地物，也可分别布设平面控制点和高程控制点。像控点密度应满足《1：5001：10001：2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T7930-2008）的精度要求，并应在飞行架次首尾航带及航带首尾航片处布设像控点，并且不规则区域适当增加像控点的数量[4]。

2无人机航测在地形测量中的应用

2.1工程概况

某测区为丘陵地，海拔高度113～160m，面积1.55km2，测图比例1：1000。如图2所示。

2.2航摄系统

无人机巡航速度为80km/h，数码相机镜头焦距15.8292mm，分辨率1400万像素，像元大小5.1μm。

2.3项目设计

按照《低空数字航空摄影规范》（CHZ3005-2010）5.2.1表1规定，测图比例尺1：1000时的地面分辨率为8～10cm，据此可算出无人机以1：1000比例航测曝光瞬间相机位移产生的成像噪点应小于40mm，而本系统快门速度1/600s的噪点尺寸为37mm，所以本系统快门速度小于1/600s时即可满足航摄地面分辨率要求。相对航高310m，地面分辨率0.1m，南北向4条航线，如图2所示。

2.4航空摄影

选择合适天气进行无人机航摄，总共拍摄了223张相片。

2.5像片控制

将作业区按土地类型分割为等权区域，从中选择24个像控点，采用GPS-RTK或全站仪进行控制测量。为了验证空三加密成果及成图精度，以每幅图10～15个点（共10幅）的比例用全站仪进行了检测。

2.6内业处理

在对空三平差之前，首先对畸变校正后的原始影像采用自由网平差，并认为相对定向误差（像点收敛值）小于2/3个像素则原始影像畸变校正符合要求。然后用PixelGrid高分辨率遥感影像数据一体化测图系统构建空三自由网，并利用VirtuozoAAT-Patb软件进行区域网平差。经过空三加密，数据导入MapMatrix软件中按1：1000比例测图。

2.7精度检测和评价

外业检查了24个像控点、2个空三加密点、3幅地形图要素的平面精度或高程精度。内业检查了174张相片、3幅地形图要素，主要内容为空三加密效果、像控点残差及地形图要素质量，结果如下：平面精度检查116个地物点，粗差2个，中误差±0.502m；地物间距精度检查106条边，粗差2个，中误差±0.523m；点位高程精度检查162个地形点，粗差2个，中误差±0.430m。其成果满足《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z3003-2010）精度要求。

3结语

无人机航测与传统测绘方法相比工作强度大幅下降，效率提高10倍以上，而与大飞机航测相比不需空域申请，可以快速实施工程任务，而且成本低得多，在中小面积地形测量方面优势明显，因此无人机航测技术应用前景广阔。

参考文献：

[1]赖云，祁琼.无人机航测在土地整治项目核查验收中的应用[J].地理空间信息，2014，12（5）：20-22.

[2]宋亮.无人机航测技术在农村地籍调查中的应用[J].北京测绘，2014（4）：96-98.

[3]薛阿亮，胡海洋.无人机航测技术生产应用型研究及分析[J].矿山测量，2014（5）：22-24.

[4]买小争，杨波，冯晓敏.无人机航摄像控点布设方法探讨[J].测绘通报，2012（z1）：268-271.