山西省第三地质工程勘察院 山西晋中 030620
摘要：随着社会的发展，我国的科学技术发展迅速。以小型无人机在大比例尺地形图测绘中的应用研究为目的，结合生产实践，进行了无人机航测实验。通过对小型无人机测图的流程及关键技术进行研究，并利用外业实测数据对航测精度进行评估，为小型无人机在在测绘领域的应用提供了参考。
关键词：无人机；摄影测量；大比例尺地形图
引言
目前针对我国的较大范围的地理信息数据的主要测绘方法之一就是航空摄影测量方法。随着技术进步，航空摄影测量已广泛应用到大范围地区中小比例地形图测绘中。相对于传统的全站仪、GPS-RTK等全野外采集方式，航空摄影测量在成图周期、数据采集效率、人力成本方面都有一定优势。但是常规航空摄影测量往往受限于飞行高度、空管调度、起降条件等因素，无法满足小范围大比例尺地形图测绘需求。近年来，随着无人机技术的兴起和发展，为大比例尺地形图测绘提供了新的方向。本文依托于上海某场地测绘生产实践，对小型无人机在大比例尺地形图测绘中的应用进行深入研究。
1小型无人机的发展现状
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。在突发事情应急、预警有很大的作用。小型无人机是一个应用范围最为广泛的领域，市场需求大，技术进步快，造价越来越低，随着人工智能技术的不断进步，相信各方面都会越来越完美，不仅仅只是在航拍领域，在物流、安保、防灾、通信、农业生产等等，完全可能影响到将来人类生活的方方面面。现在是眼球经济时代，从目前无人机发展现状来看，更多的体现在生活航拍中，这方面也是目前需求最为旺盛的。
2小型无人机系统构造及特点
2.1系统构造
小型无人机系统主要包括无人机飞行平台，非量测型相机、稳定平台、飞行控制系统、地面站、远程通信装置及地形数据处理软件等。
2.2系统特点
无人机相较于传统的航空摄影测量系统来说，具有显著的优点：
2.2.1方便、快捷。小型无人机受飞行场地限制小，飞行系统在升空上所花的准备时间短暂，操作非常简便，作业方式灵活；且小型无人机不需要申请空域、携带方便。
2.2.2成本低廉。在平台搭建、维护以及作业方面，成本均较为低廉。
2.2.3容易获取信息。由于无人机系统飞行高度偏低，可以得到精度高的大比例尺影像，在小范围信息获取方面有着显著优势。
2.2.4后续处理可靠性强。可根据需求获取高重叠度的影像，增强成数据的后续处理能力。
3测区概况
本文主要以位于上海市浦东新区南汇新城镇大治河入海口南侧，东乐路(海堤路)北侧为测区进行测试。场地由西侧原杨园道桥有限公司(预制梁厂)及东侧至涵口滩涂组成，南北长约1.8km，东西长约0.18km，面积约0.32km2。由于东侧滩涂为潮间滩，测量人员进入十分困难，因此以小型无人机进行数据采集十分必要。
4无人机数据采集与处理
本次测量以DJIPhantom3Pro多旋翼无人机作为数据采集平台。
4.1控制点布测
由于小型无人机的飞行姿态并不是很稳定，所以其记录的POS信息无法满足大比例尺测图需求。为提高成图精度，本次在测区均匀布设控制点13个。控制点平面坐标采用采用基于上海市GNSS连续运行参考站SH-CORS系统的GPS网络RTK按三级点测量，控制点高程采用上海吴淞高程系统，采用经区域高程拟合校正的GPS网络RTK进行测量。平面及高程精度均小于±2cm。为了后期控制点识别，所有控制点均用宝马标志样式靶标进行铺盖。
4.2影像数据采集
在影像采集进行前，首先要使用DJIGO软件接入无人机进行飞行前指南针校准、SD卡检查、无线传输信号等准备工作，然后采用Altizure软件进行航线设定。根据测区东西宽，南北窄的特点，将测区沿东西方向分为5个飞行区域，每个区域为一个飞行架次。本次飞行设定航向重叠度为85%，旁相重叠度80%，飞行高度70m。航线规划好后采用控制系统放飞无人机，利用其自动飞行模块沿设定好的航线进行影像数据采集，采集过程中通过地面遥控终端实时查看影像采集状况。
4.3影像数据预处理
在小型飞机飞行结束后，要将拍摄的图像进行导出，并找出飞有像控点的照片。每个像控点选择6张照片，保证像控点尽可能在照片中部，减少照片畸变影响。将照片添加到摄影测量自动建模软件，通过查看影像曝光点位置，删除多余影像。将像控点数据添加到软件中后，进行刺点工作，为保证后续处理精度，刺点时尽量选取靶标的中心位置。
4.4影像数据处理
影像数据处理主要有空三解算、点云加密，其过程都是通过专业摄影测量处理软件自动完成，并自动生成DSM和DOM成果。其中控制点空三解算精度见表1。
4.5地形图绘制
将DOM加载到ArcGIS中，分别建立房子、道路、水泥板、水池、坡、坎等等图层，根据DOM进行分层矢量化。将野外采集的建筑物、道路等地物特征点展绘到ArcGIS中，与摄影测量矢量化的特征点进行对比，并对DOM矢量化的图形进行纠正，得到更高精度的矢量化成果。地物地貌的高程数据采用通过DSM选取及现场测量高程点结合的方式在ArcGIS中生成。最后将所有矢量化成果转换到CAD中，根据数字地形成图要求进行地图整饰，生成DWG格式最终成果。
5精度分析
本次测试主要是将现场GPS-RTK实测点与对应的影像成图点进行对比，从平面和高程两个方面分析和评估实验精度。其中平面精度评定时为减少人为误差，随机采集了房角、水池角等定型地物的特征点作为对比数据。平面对比精度统计见表2。
高程精度分析主要是按照现场的实际测量的高程点作为基础，然后利用DSM在实测点相同位置提取无人机测图高程点，与实测点进行高程比较。高程精度统计信息见表3。由表2和表3可知，无人机测图与传统方法采集数据相比，平面中误差为0.180m，高程中误差为0.221m,而《1∶5001∶10001∶2000地形图航空摄影测量数字化测图规范》中要求1∶1000比例尺平面和高程中误差分别为0.6m和0.4m，1∶500比例尺平面和高程中误差分别为0.4m和0.4m。因此本实验条件下满足到1∶1000测图要求，无法达到1∶500测图要求。
结语
综上所述，本文将小型无人机应用与小范围大比例尺地形图测绘生产实践，并通过传统测量方法采集数据与无人机航测数据进行比较。实验结果表明，在严格控制无人机航测像控点及飞行条件的情况下，可以基本满足1∶1000大比例尺地形图测图需求。但是通过实验我们也发现，小型无人机由于体积小、重量轻、在飞行过程中极易受外界环境影像而使飞行姿态不稳定，造成成果平面和高程数据变形严重而无法满足生产需求。因此建议一方面要选择合适的飞行条件进行野外数据采集，另一方面要结合传统野外测量方法进行数据改正，以保证成果的精度。相信随着技术的不断进步和成熟，小型无人机在大比例尺地形图测绘领域将具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]赵翔.基于无人机航摄DOM生成技术的研究与应用[D].上海:华东理工大学,2015.
[2]钱建彬,王申俊.eBee无人机在大比例尺成图中的应用分析[J].现代测绘,2017,40(1):51-54.
[3]吕立蕾.无人机航摄技术在大比例尺测图中的应用研究[J].测绘与空间地理信息,2016,39(2):116-122.
论文作者:刘德辉
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第11期
论文发表时间:2017/12/13
标签：无人机论文; 高程论文; 比例尺论文; 地形图论文; 测量论文; 精度论文; 影像论文; 《建筑科技》2017年第11期论文;