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摘要： 基于低空无人机航测系统，开展1:500大比例尺地形图数据快速采集与处理方法的应用研究。 简述了无人机作业的主要工作流程，探讨了无人机测绘的关键技术。 结合广州市2016年基础地形图更新工程，开展1:500大比例尺地形图制作及结果精度评估。 结果表明，低空无人机航测技术满足地形平坦、地形结构简单地区1:500大比例尺地形图精度要求，具有明显的技术优势和良好的应用前景。

关键词：低空无人机航测； 城市基本地形图； 快速测绘； 1∶500地形图； DOM

1 简介

城市基础地形图是城市建设、规划管理、国土资源管理等最基本的基础地理信息。 它在城市规划、建设、交通、管理、社会公共服务、可持续发展研究等诸多领域发挥着越来越重要的作用，对基础地形图的精度、现状、覆盖面等要求也越来越高和更高。

随着数字化、智慧城市建设的快速发展，如何实现城市基础地形图的快速、有效、实时更新以满足城市规划建设的需要，是城市建设亟待解决的问题之一。测绘[1]．

无人机低空遥感技术是航空遥感领域的一个新的发展方向。 具有低成本、方便、灵活、高效、高分辨率等特点。 已逐渐应用于大比例尺地形图航空摄影测量领域[2,3]。 它凭借自身的技术优势，能够快速、高效地获取高精度、高分辨率的影像数据，已成为传统航空摄影测量的有效补充手段[4,5]。

2 项目介绍

2. 1 项目概况

为适应广州市规划建设需要，实现广州市基础地形图全覆盖，建立广州市基础地理信息数据库，更好地为广州市“十三五”规划实施提供基础测绘支撑，广州市启动2016年城市基础地形图更新工作（1:500数字地形图测量及数据入库），项目勘测面积121.4平方公里。 本项目生产实践测量区选为赤泥C作业区，航测面积3平方公里，如图1所示。

图1 基础地形图更新工程测区示意图

2. 2 低空无人机平台

本项目使用 TrimbleUX5HP 无人机（如图 2 所示）。 该系统具有操作简便、全自动化、精度高等特点。 该系统集成了高性能 Trimble GNSS 接收器和 a7R 全画幅相机，可采集高分辨率图像数据。 后处理运动学（PPK）GNSS技术可以在绝对系统中建立非常精确的图像位置，有效减少地面控制点，获得高精度的结果数据。

图 2 UX5HPUAV

3 工作流程

无人机航测制作大比例尺地形图的主要工作流程如图3所示。

图3 无人机测绘主要工作流程

3.1 作业准备

主要准备工作包括：资料准备、设备准备、摄像检查等。

(1)收集测区基础数据，如基本地形图、卫星影像数据、控制成果等，了解测区的地理位置和情况。

(2)相机标定，获取相机中准确的方位元素和畸变参数。

(3)飞行平台设备的校准和例行检查，确保航拍平台各设备的主要技术参数符合规范要求。

(4)实地勘察，选择合适的起降地点。

3.2 航拍作业

3.2.1 路线设计

UX5HP飞行路径设计使用Aerial Imaging软件完成； 为了满足测绘精度要求和提高飞行效率，本次航路设计采用索尼a7R II相机35mm镜头，航向重叠设计为80%，侧向重叠设计为80%，地面分辨率设计为5cm，飞行高度设计为375m，如图4所示。

图4 路线规划设计

3.2.2 控制点布置与测量

本项目航测采用地面架设的GNSS参考站，采用PPK后处理动差技术，提高定位解算精度。 控制点布设符合相关规范要求，地面控制点在测区范围内均匀分布。 影像控制点坐标由广州连续运行卫星定位城市测量综合服务系统（GZCORS）测量，并通过广州准大地水准面的精化结果。 转换为广州坐标系坐标，共布置测量40个控制点，如图5所示。

图5 控制点布置方案

3.2.3 图像采集

图像采集主要包括飞行前检查、无人机飞行、现场数据整理、检查等。

(1) 飞行前检查

为确保无人机航拍安全，飞行器开机后需进行自检和严格的安全检查，具体如下：

①GBox状态检查、线缆连接检查、GNSS天线宽视场、gBox正常启动、卫星锁定检查。

②相机检查、标清检查、相机设置检查、快门速度设置、清洁相机镜头和滤镜、相机热插拔线连接、尼龙带固定、相机触发器检查、快门反馈检查。

③跟踪器检查，确保跟踪器已打开且接收器接收到信号检查。

④ 电梯检查、外弦电梯和内弦电梯的水平检查、电梯响应检查。

⑤发射器检查、发射器组装、安全销插入发射器、弹力绳强度检查。

⑥ 检查空速响应，确保空速响应正常。

⑦飞行器定位检查，飞行器在发射台上组装，螺旋桨位置定位，飞行器位置正确。 完成飞行前检查后，拔下安全插头，启用无人机系统，等待系统正常启动，然后发射无人机。

（二）无人机飞行

无人机起飞后，按照规划航线起飞进行图像数据采集，地面站开始实时监控飞行器工作状态。 技术人员要时刻关注无人机的状态，风速、飞行器的高度和速度，立即做出判断和处理，如果正常，采集完成后按预定航线返航降落。 该项目共飞行9架次，采集图像数据2600幅。

(3) 资料整理与检查

现场整理飞行数据，核对拍摄照片数量是否与飞行轨迹参数一致，是否有漏拍； 检查照片的质量，是否有模糊等； 现场对飞行结果质量进行全面快速的检查，计算航向重叠度、侧向重叠度，生成检查结果报告等，检查完成后，如有质量问题，需重拍飞行。 如果没有质量问题，则航拍完成，如图6所示。

图6 外场飞行质检

3.3 数据处理和DOM创建

3.3.1 空中三重加密

数据预处理主要包括原片检测、POS数据整理、控制点数据整理等。预处理完成后，使用INPHO软件进行空三角加密。 航拍三维加密过程中，在立体对的点上选择控制点，通过控制点的调整和调整的优化，最终从40个控制点中选择28个点作为控制点点，其余点作为控制点。 检查点，并且为了增加模型连接的强度，避免某个控制点误差过大造成的全局负像，在立体图像中加入一些模型连接点tie points参与空间平差。 经过反复调点优化，最终实现了平面0.07 m、高程0.06 m的绝对定位精度，如图7所示。

图 7 航空三角测量精度报告

3.3.2 DOM制作

根据上述航拍三密结果，利用DEM数据对影像进行数字差分校正和影像重采样，生成单张数字正射影像DOM。 由于无人机飞行高度较低，高层地物的同名点视差较大。 根据摄像机中心投影的成像原理，图像边缘的投影误差较大，接缝和建筑物的边缘往往会出现畸变。 因此，需要手动编辑正射影像的拼接线。

修改尽量避免穿过大型建筑物，选择纹理不丰富的位置，远离图像边缘，尽量跟随道路和地面实体的边缘等。同时，针对不同拍摄角度和位置的照片存在的色差和亮度差异，进行了均匀的光线和颜色处理，并对周围的马赛克线条进行羽化处理，确保照片马赛克自然，整体图像亮度和色差一致，如图 8 所示。

图8 0.05米分辨率DOM结果

3.3.3 DLG立体编辑

本项目1：500DLG的制作是通过航天远景Map Matrix平台与清华汕尾EPS平台的定制对接，利用EPS平台进行二次开发，从而实现三维测绘，实现“图融为一体”的工作宗旨一个”GIS数据可以同时实现 比目前国内大部分DLG生产流程更高效、更先进。

（1）数据准备，准备INPHO航拍三维平差工程文件和无人机原始图像数据，将必要的文件放在同一文件夹的同一目录下，如图像ID，外向元文件，加密点文件，和点文件等一样，保持文件前缀名一致。

(2)新建工程，打开EPS基础测绘平台，选择航测采集模块，建立广州基础地理模板-500工程文件。

(3)模型恢复全站仪大比例尺地形测量使用仪器，选择立体映射菜单，加载立体图像对，恢复立体模型。

(4)三维采集编辑，连接外部输入设备，设置工作区，开始数据采集工作。

根据三维模型可实际观测的原则，采集所有要素，按照“内定位、外刻画”的原则，尽可能对可观测地物进行数字化跟踪，并开展现场等工作进行测量和编辑，共得到1:500DLG结果216幅图像，如图9所示。

图 9 编译后的 DLG

4 数据处理关键技术研究

4.1 建筑投影差异校正[12]

通过前人的研究成果，本项目采用图像方向元素与物体空间三维点云数据相结合的方法，利用投影中心、DSM、DEM上形成的同名点的共线关系，利用外部由DSM物空间点的方位元素计算出DEM像点间的高差构建的数字高程模型，形成一个随像点同步变化的投影高差模型，称为投影数字差分模型（image elevation synchronous ) 与图像同步变化。 模型，IESM），通过共线方程求解房屋角点的三维坐标，从而实现建筑物投影差的半自动校正。 由于测区内建筑物以低层住宅为主，采用投影差分校正模型取得了较好的效果，如图10所示。

图10 投影差校正原理及效果图

4. 2 EPS2012集成二次开发

本项目基于广州城市规划基础信息测绘平台EPS2012，采用VC++6.0开发平台和VBScript脚本语言进行功能专业的二次开发，实现应用层的动态化和动态化。全局数学函数库和控制库。 链接SDL（神威动态链接库）快速搭建基于EPS2012的航测采集编辑平台，实现运行时动态加载或输入命令加载，如图11所示。功能通过菜单工具栏加载全站仪大比例尺地形测量使用仪器，延续了EPS原有的功能界面和操作习惯。 同时对数据模板进行标准化打包，实现图纸展示过程中1:500~1:2000数据标准的强制标准化，实现数据生产、图纸输出、数据建库、数据的一致性。数据应用，有效保证数据不异化。

图11 基于EPS2012平台开发的测绘系统

5 项目成果及精度分析

基于无人机航拍数据，经过上述流程处理，得到测区DOM、DEM、DLG等。 为保证结果的准确性，本次航拍测绘的地形图结果的精度在野外进行了测试，利用GZCORS_RTK快速获取了针对检测点的三维坐标数据。场，整个测区共有测量面坐标和高程检测点122个，距离检测点83个。 利用介质误差计算公式计算各检测点的介质误差，可得计算结果（如表1所示），本次航拍绘制的1:500地形图精度满足精度要求《低空数字航空摄影测量行业规范》。 可作为基础测绘成果。

6结语

本文针对无人机航拍测绘大比例尺地形图的制作与应用，主要针对地形结构简单、地形相对平坦的地形图。 经过现场测试，结果满足大比例尺地形图的精度要求，运算效率也较传统测量模型有较大提升。 有效提高生产效率，缩短生产周期，加快内外数据生产一体化运作进程。 满足了工程建设快速完成测绘任务的要求，为大比例尺地形图的快速测绘提供了一种新的技术手段。

随着数字城市和智慧城市建设的全面发展，城市规划建设对地形图的需求与日俱增，更新周期也越来越短。 低空无人机航拍系统已广泛应用于城市规划、低空航拍、应急测绘、环境监测、工程测量等领域。 随着无人机航拍技术的不断成熟，电池续航、飞行稳定性、图像尺寸小等缺点将逐步得到改善，使其具有更广阔的应用前景和优势。