无人机低空遥感测绘大中比例尺数字化图的实践与探索

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（广东置信勘测规划信息工程有限公司）

摘 要：随着科学技水平不断发展与提高，使得测量技术的发展、更新的速度也在加快；应用领域也越来越广，国家的需求也越来越大，人们的期望值越来越高；伟大的时代，需要伟大的人民，更要有高、新的尖端技术来支撑，测量技术也不例外。从过去的常规测量向当代的数字化、智能化的测量技术过渡，使得测绘的领域发生了深刻的变化。目前测绘的方法更丰富、测绘的手段更明确、测绘的周期更短、测绘的人力成本更少、测绘的成果更加多样化。特别是二000年以来，由于国家、省级、地方各部门对城市、水利、农业、环保、公路等基础设施加大了投入，工程项目存在量多、时间紧、任务重、人手紧等问题。自然而然就催生了数字航空摄影测量、三维激光扫描测量、无人机低空遥感摄影测量、激光雷达测量、水下机器人摄影测量等测量新技术。无人机遥感测绘伴随近几年电子技术的飞速发展，加大了点云数据后处理软件的引进及开发力度，1：1000及1：2000的正射测量得到了足够的技术验证和很好的应用；特别是在平原、丘陵地区的水利项目：小流域规划、灌区续建配套与节水改造工程；农业高标项目；提高V级以上航道通航能力的改造工程项目；农经权确权颁证等项目已经成为测量的首选，无人机低空遥感测绘是一种新型的测量技术，其优势是很明显的，测量工作中能发挥出全能性、全天候、全球性以及精密性等特点，且有着较高的精度，应用价值极高；但城市规划、城镇地形地籍、农村地籍等项目以及在多山地区、建筑物密集区域还面临巨大的挑战。本文主要对无人机低空遥感摄影测量技术进行分析及探索。

关键词：低空无人机；遥感摄影测量；大中比例尺数字化测图；实践；探索

从航空摄影测量发展历程来看，摄影测量分为传统及现代：二十世纪三十年代的模拟摄影测量到七十年代的解析摄影测量，再到今天的遥感、扫描等数字摄影测量。前后经历了快一个世纪的跨越。主要得力于计算机技术的广泛应用及数字图像技术的发展、点云数据后处理软件的引进和大力开发，使得数字摄影测量内业处理能力有了极大地提高，内业处理时间极大地缩短；同时，由于摄影测量的理论研究与应用技术、相关学科不断发展提高，使得航测成图仪由过去只能进行1：5000或1：10000、1：50000等小比例尺地形图的测绘及相应的模拟法空三测量，到现在的解析测图仪以及全数字测图系统能够处理1：2000等中比例尺乃至1：500、1：1000等更大比例尺全自动数字空三测量。从摄影测量到最后成果成图步骤来看，无非三个方面：航测外业及内业、线划图。外业需完成航拍，提供满足航测内业要求的航片；内业需完成从航片制作到提交成果成图的全过程；不管是传统航空摄影测量还是现代的数字航空摄影测量也好，航测内、外业作业过程基本相同。现场踏勘、资料收集、设备的前期准备：飞机系统的调试、相机检校、航线规划、数码影像、机载POS数据，然后对实地按计划进行拍摄；再进行像控测量、飞行质量检查等，对数据进行预处理；根据现有数据基础（是否地方坐标系）、空三解算、对影像进行匀色处理、正射影像、正几何精纠等数据后处理后再影像套合、生成DEM、DOM单模型、正射影像分幅、输出完整的影像地图数据、地形图外业调绘、最后提交满足要求的相应比例尺的成果成图。

1 无人机航空摄影测量技术概述

无人机低空数字航空摄影测量是由传统载人航空摄影测量演变而来的。二十世纪九十年代以前传统航空摄影测量主要由各个省、自治区、直辖市测绘局航测大队负责航片的拍摄工作。其它单位的航测分队进行像控点的标、刺、测；然后进行内业空三加密解算；再进行立体测图；外业调绘及修补测；最后完成小比例尺成图。其明显缺点：传统航空摄影测量外业审批手续繁琐；载人飞机起飞、降落、拍摄时相对航高要求较高，受空管严格限制；拍摄过程中受天气、气候、风向影响较大、时间长、成本高；内业成图工序复杂、周期长、费用高、受专业技术及内业成图经验影响因素较大且成图比例尺小、成果单一；难以快速获取空间数据，无法满足国家经济建设的需要，一般企、事业单位都无法成立这樣的测量单位，不便于广泛开展航空摄影测量工作。

在2000年前后，随着我国科学家提出：“数字中国”概念后。“数字省区”、“数字城市”、“数字社区”相继出现。加之计算机宽带高速网的建设、3G（GPS/RS/GIS）集成技术日趋成熟，使得高分辨率遥感影像、空间信息技术、空间数据基础设施、大容量数据存储和元数据、科学计算、可视化及虚拟现实技术得以实现。测绘领域诸多方面与其紧密相关。因政府部门要求在应急、防灾、救灾方面做出精准的部署和评估，需要相关部门实时提供准确的信息。这就需要在短时间内快速获取大量的空间数据和实时遥感影像。无人机低空遥感摄影测量自然而然就产生了。

低空无人机数字航空摄影测量满足了国家、部门的：快速、实时、高分辨影像、空间数据等需求。使得发展无人机低空遥感系统成为当今乃至今后数字航空测量的主流。它与传统航空摄影测量具有不可替代的优势：地方行业协会批准即可；无人机起飞、降落不需要专业机场，环境要求低；低空飞行，一般航拍高度200米至1000米左右，不受空管严格限制（机场附近除外），受云、云影、烟、云层影响较小；无人机搭载高性能数码相机，低空可获取地面0.05米的高分辨率的地形地物影像；不需要专业维护人员进行专业维护、保养，人力成本极低，固定翼超轻型无人机工作时只需3人左右；无人机性价比高，一般企事业单位均有能力购买。但它的缺点也明显：无人机工作时易引发安全事故；载荷小易破坏；速度快抗风能力差；电子信号遥控时易受外界干扰；飞行姿态难以控制，易出现大倾角、大旋偏角；镜头畸变大，空三解算前要对原始影像进行畸变校正；影像重叠度高且不均匀、不规则；像幅小、基线短、基高比小、影像数据后处理量大，需借助专业后处理软件处理；影响成果成图精度不高的因素较多。如果低空无人机摄影测量技术主要是面向地理定位、无线自动化以及航空信息采集等多方面的应用的话，那么无人机低空遥感数字航空摄影测量技术就是航空摄影测量的智能化的具体体现。

2 无人机低空遥感摄影测量技术在1：2000、1：1000工程项目中的实践

随着国家2000年以来，在高、新、难技术上的巨大投入，高校、院所、企事業单位加大了数据处理软件研发力度，使得无人机低空遥感摄影测量技术日趋成熟，在1：1000、1：2000基础测绘、工程项目中得到广泛的实践运用。

项目背景：广东省水利厅2000年以来，在全省各地开展了小流域规划及2012年开展灌区配套与节水改造工程试点的专项水利工程以及2012年农业部开展的高标准农田专项工程。作者承担了广东某市一个县五个水库灌区配套与节水改造工程1：1000测量工作以及上述镇区的高标准农田工程1：2000的测量工作。县水利局、县农业局要求：

（1）测绘资源共享：一次测量，一套成果，两个项目共用，节省开支。

（2）半个月提供项目的可研性阶段的测绘资料；三个月内提交所有成果成图资料给设计单位进行初步阶段设计。

（3）水利项目施测重点：灌区内的灌排渠、主干渠、干渠；高标项目施测重点：灌区内的分干渠、支渠、田块间的毛渠以及田块间的大车路等，这也是两个项目施工的侧重点不同所致。

项目概况：灌区配套与节水改造工程与高标准农田项目虽然成图比例尺不同；但测绘的内容也高度契合：主要施测灌区内的水渠及田间地块的大车路等。同时水利项目还需实测纵、横断面图及水陂、新改建水利附属设施1：200或1：500大样图、桥涵调查等，而高标项目需测注沟底高程、标注沟宽及测注大车路宽度等。

工程量：测图面积15万亩，灌渠总长498千米，新改建水利附属设施412座，横断面总长50千米，大车路15千米，每隔200米左右施测GPS-RTK施工点一个等。本项目时间紧、工程量大、人手严重不足。按常规测量方法是无法完成的。但通过单位的技术部门论证：

（1）水利项目和高标项目成图比例尺1：1000，测图方式：无人机低空遥感摄影测量。

（2）水利项目的纵、横断面及水陂、新改建水利附属设施1：200或1：500大样图等使用全站仪配合GPS-RTK进行施测。

（3）灌区内植被（竹林、灌木丛）浓密地方测图方式：采用航测与全站仪配合GPS-RTK修补测方法进行。

技术实施方案：

（1）航外拍摄技术方案：航拍用固定翼无人机搭载检效后的数码相机、航摄比例尺1：3000、飞机地速65km/h、基准面平均高程10米、相对航高200米、一般航向重叠度80%、一般旁向重叠度60%及其它航线号、航线间隔等。

（2）像控点测量：起算点采用广东省国土厅施测的GPS-D级、E级点（平面系统为西安80，中央子午线38°带114°，高程系统为1985国家高程基准）。全灌区采用了20个GPS-E级点，利用网络CORSRTK采点，按七参数求解平面转换参数及利用广东省似大地水准面精化模型将像控点的大地高转换到正常高等，将转换参数输入RTK手薄。

（3）其它技术方案均执行相应的《规范》，这里不再叙述。作业流程：主要有六大部分：a.对源数据进行预处理；b.正射影像图或分幅图制作；c.线划图制作；d.外业调绘及补测；e.根据外业调绘内容先上图，对地物（包括房檐、阳台、飘楼等）进行改正，由于本项目地物少，直接人工修改，不需软件处理；然后补测的数据与1：1000线划图在CAD环境下进行套合，若线划图有少许偏移时，根据外业实测点成果（均匀分布灌区，数量要尽可能多）对线划图进行纠偏。f.检查：根据外业实地采点数据、横断面数据、水利附属设施大样图数据、施工控制点、桥涵调查数据等对1：1000数字化图进行平面、高程检查。

精度情况及分析：

（1）GPS-RTK采点15983个，全站仪采点8558个一共24541，I类误差点19636个，占总检查点的80.1%；I类误差——II类误差点4534个，占总检查点的18.5%；II类误差以上（粗差）点369个，占总检查点的1.4%。最后检查结果：平面中误差Ms=±8.73cm，高程中误差Mh=±12.16cm，满足规范要求。

（2）I、II类误差点主要分布在田块及通视条件较好地方，粗差主要分布在灌木丛、竹林、山地，检查后对这部分地形使用全站仪配合GPS-RTK进行了重新测量。

（3）从检查结果及精度统计来看：无人机低空遥感摄影测绘1：1000或1：2000数字化测图精度能满足规范要求，也一定能满足施工的需求。

作者从2012年后至今，陆续承担了1：1000公路（总长85.368千米）扩宽改造测绘工程项目；承担了1：2000航道（总长75.3千米）提升通航能力改造测绘工程项目；承担了1：2000高标农田测绘工程项目，测图均采用无人机低空遥感摄影测量配合GPS-RTK、全站仪修测方法进行。从这几个项目最后检查验收结果、施工方反馈信息来看，无人机低空遥感摄影测绘1：1000或1：2000能满足规范及施工方要求。

要想获得高精度的成果，作者从一下几个方面来阐述：①航拍外业开始前，准备工作尤为重要：收集资料、测区了解、航飞器的检查与检校；技术方案的编写；要突出工程项目主体；制定好航拍时的航线、航拍比例尺的精确确定、相对航高是多少等。②要想精度好，一定要拍摄好航片。③数据的预处理要认真、细致。④像控点的布设、施测以及标、刺等一定要按规范和技术方案执行。只有这样，空三加密解算精度才有保证，最后才能得到一幅质量极高的正射影像图。⑤线划图与外业采点数据一定要套合，对线划图在CAD环境下进行纠偏，采点数据一定要够数量足够且均匀分布测区，再采点检查。

3 无人机低空遥感摄影测量能否满足1：500或更大比例尺的城市测量规范要求呢？

作者2009年3月承担了广东某市一个镇的1：500数字化测图（城镇二调202建设用地图斑），测图面积0.998平方千米，困难类别III类。单位技术方案要求：

（1）使用全站仪全解析施测1：500数字化图。

（2）无人机低空遥感摄影测量配合全站仪施测1：500数字化图（试验性）。

我们项目部使用两套人马，传统测量人员按老方法按部就班使用全站仪施测，另外人员用第二套方案开展工作。测量控制数据共享，镇区像控点使用全站仪按要求布设。

（3）检查：全解析法测图按城规要求执行，采点1386个；航测同样按城规要求执行，另使用全站仪采点1523个。

（4）精度统计结果及分析

①全解析法测图精度：I类误差点1302个，占总检查点的93.9%；I类误差——II类误差点69个，占总检查点的5.0%；II类误差以上（粗差）点15个，占总检查点的1.1%，平面中误差Ms=±3.2cm，高程中误差Mh=±6.8cm，满足规范要求，质量评为优。

②航测线划图精度：I类误差点1536个，占总检查点的52.8%；I类误差——II类误差点1097个，占总检查点的37.7%；II类误差以上（粗差）点276个，占总检查点的9.5%，平面中误差Ms=±7.8cm，高程中误差Mh=±16.3cm，不满足规范要求，质量评为不合格。

③本次无人机遥感摄影测量1：500数字化测图（试验性）结果虽然不太理想，但测量人没有停止探索的步伐。其原因：a.能否将无人机改为载人直升机？提高飞行器在拍摄过程中的稳定性，用载人直升机作为飞行平台就可以通过降低航高方法解决，为了能达到《1：500，1：1000，1：2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB7930-2008）规定的1：500测图精度要求，采用高精度的相机检校方法。对传感器进行多个摄站的检校平差，从而得到更为精确的检校参数，使相机的像素中误差达到0.15～0.2个像素。如此的检校精度，遥感设备完全满足1：500成图的要求，在数据预处理的过程中代入相机畸变差的检校参数消除畸变。b.当时数据后处理软件功能没有现在的软件自动化那么高、那么强大。目前现代航测自动空中三角测量MAP-ATV2.6+软件对影像进行正射纠正。本软件可直接利用现有DEM，也可以由该软件自动生成DEM，对影像进行正射纠正，可大大提高影像纠正的速度，有效地缩短工期；根据单模型DEM及像片内外方位元素、影像分辨率，采用微分纠正方法进行纠正及影像重采样，生成单模型DOM。1：500DOM影像分辨率为0.1米；根据图廓坐标来设定镶嵌范围，指定文件存放路径，执行影像镶嵌命令，自动拼成整幅的DOM；影像镶嵌完成后，认真检查所生成的DOM，对接边区域内部分出现影像模糊、影像遗漏的地方，应给予修补，测区内的影像镶嵌应采用人工方法进行，防止出现高层建筑因投影方向不一致而产生的影像扭曲变形。c.能否在使用高精度POS相机的正摄影像的基础上，使用强大的空三解算及立体测图的软件，获得房屋的1：500屋檐线划图。在空旷的地方，使用GPS-RTK布控整个测区的扫描校正点，使用移动扫描仪，对城区地物（如房角）进行移动扫描呢？答案是肯定的。

4 无人机低空遥感摄影测量配合2D移动扫描仪测绘1：500数字化图（试验性）

2017年3月，作者参与了广东某市一个镇的1：500地形地籍图利用无人机低空遥感摄影测量配合2D移动扫描仪的测绘工作。航飞面积1.0平方千米，作图0.51平方千米，困难类别III类。随着经济的增长和测绘信息化的不断发展，无人机低空遥感测绘在1：500或1：1000大比例尺测图中的应用提出了极高的、迫切的期望：

（1）如何有效解决无人机姿态不稳定带来的误差？

（2）由于城中村建筑不规则，无法有效提取墙角坐标等问题？

（3）如何提高外业调绘的效率都成为摆在测绘人面前的挑战？

本次利用无人机低空遥感摄影测量配合2D移动扫描仪测绘1：500数字化图是试验性的；本项目平面系统为本市CORS坐标系，高程系统为本市的似大地水准面精化模型正常高；用网络CORS或全站仪施测像控点，一共布设了72个。

（1）飞行器为固定翼无人机。

（2）机载AMC135高精度POS相机：该系统为高精度POS、单反相机及专业正射测量云台整合设计成一体的相机系统，采用进口多星高精度GNSS+IMU惯导系统，采用动态后处理模式，保证测区数据处理精度可以达到5cm以内。

系统特点：①采用高分辨相机严谨的镜头校验，达到测图的相关要求。

②采用专业正射测量云台，确保相片可立体量测。

③包含ApplanixUAVPOS系统，极大的减少外业布控及作业成本，采用WGS84坐标系统，无需控制点，转换成本地坐标，每个区域只需3-5个控制点。

④提供完整的UAV作业流程，从影像飞行到DSM，DOM成果。APX15POS性能指标：（如表1）

（3）高精度2D移动扫描仪：在使用高精度POS相机的正摄影像的基础上，使用航天远景的空三解算，立体测图的方法，获得房屋照片1：500的屋檐线划图；在空旷的地方，使用GPS-RTK布控整个测区的扫描校正点，其他地方用全站仪施测控制点，为2D移动扫描仪的城区的扫描做准备。

（4）现场调绘平板：测绘通是一个基于android平台的专业的CAD/GIS基础平台软件，在此平台上已经延伸出了多种行业应用解决方案，如测绘地形测量、地理国情普查、林业二类调查等等专业应用，骋天测绘通支持各种电子全站仪、GPS输出数据，支持autoCAD的DXF格式数据，并全面兼容CASS的图形符号库，支持GIS的各种图形、图像、属性数据，是基于安卓移动设备的移动地理信息数据采集、处理的平台软件。那么，以上机载硬件和内业软件可以解决或改善：①使用高精度POS改善无人机姿态误差；②高精度2D移动扫描仪，高效扫描不规则建筑面，有效获得墙角数据；③电子调绘平板，叠加无人机正摄线画图+2D扫描线画图，使用测距仪+皮尺高效现场调绘，现场清绘。

试验时间：①航拍2小时；②施测像控点6小时；③内业处理一个星期。

试验结果：①正射影像图精度较好，只有三个地方平面精度超限，高程精度普遍在II类误差，有一小片房角高程在30cm左右；②扫描点云数据经过数据后处理及拼合后，仍然存在与正射影像图不能很好拼接的问题。主要是本区域施测的房屋密集、杂乱无章、房屋不规则。使得扫描的点云数据存在：①噪音；②重叠处数据冗余；③反射点数据太多；④正射影像阴影遮挡部分数据与扫描点云数据两者都无法获取，从而造成个别“漏空”现象等。本图块全解析法测图未完成。抽时间将本图块进行外业调绘后再进行精度统计。

结束语

无人机低空遥感摄影测量技术的实际应用具有较多特点，其效率高、测量周期短，且成本低。它能满足1：1000、1：2000在城规、水利、公路、航道、矿山等方面测绘工程项目。能否满足1：500及更大比例尺测图精度要求？或能否被广泛推广？作者认为：只是时间问题。当前，载人低空遥感摄影测量，无论机载高精度POS機或机载激光雷达，精度都能满足1：500测图要求；无人机在现有条件下，机载高精度POS机或机载激光雷达配合地面移动扫描仪，辅助强大的点云后处理软件，制作出1：500或更大比例尺的、高精度的正射影像图和线划图并被广泛运用，达到人们的期望指日可待了。

参考文献

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[4]崔红霞，孙杰，林宗坚等.非量测数码相机的畸变差检测研究[J].测绘科学，2005（1）：105‐107.

[5]张惠均.无人机航测带状地形图的试验及分析[J].测绘科学，2013（3）：101.

致谢：广东海伟地恒空间信息技术有限公司、广州瑞徕测绘科技有限公司技术部的同仁及王帆总工。