文 | 宋子驿

编辑 | 宋子驿

前言

随着国家水利工程项目的进一步增加及水利信息化建设的快速发展，对大比例尺地形图的要求越来越迫切，需求量不断增加。

为满足这一发展需要，无人机航测成图是一种较好的手段， 无人机航摄系统结合了多种先进的技术， 搭载高分辨率数码相机进行高分辨率实地照片的获取，利用计算机及相关软件进行图像信息处理，最终获得满足规范要求的地形相关数据信息。

与传统的测量手段相比，无人机构造简单，适用于地形地貌复杂的各种区域，且其航测效率高，也不需要投入大量的人力、物力，即使对于复杂地形、建筑物密集区域也能够有效获取测量数据，在水利工程建设中已经发挥重要作用。

无人机航摄概述

无人机航摄系统把低空无人机技术、摄影测量技术、通信技术等先进技术融合，通过搭载传感器获取所需信息，最后对信息数据进行综合性处理分析。

无人机航摄系统包括飞行平台、飞行控制系统、地面监控、传感器（数码相机）等，随着信息化技术的发展，无人机航空摄影测量应用越发广泛，该技术的使用大大提升了地形测绘的准确性，节省了许多人力物力，是一种高效准确的现代化测绘方式。

无人机航摄系统具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、应用范围广、生产周期短、安全系数高等特点，在地形复杂高山陡崖区域优势明显，见图 1：

接到任务后组织编写测绘技术设计书，明确方案设计、航摄、像控点测量、空三加密、内业测图、整理资料等 5 个阶段的内容，设计书经过校核、审查、核定后，按照设计书要求实施航测作业，作业流程见图 2 所示：

实测案例

某项目为大型水利工程，需要实施 1∶2 000地形图的测绘，测区陡峭复杂，地形起伏较大，属高山地形，测量面积约35km2，海拔最高点2 400m，海拔最低点 2 200m。

测区内山坡地形约占 70%，平地约占 30%，山坡地形中植被为林、灌、草、藤，平地植被为旱地、果园、水田、荒地等，地物地类繁多。

测区控制网按 GNSS 四等点精度要求布设，使用 CGCS2 000 国家坐标系统 3 度分带，2985 国家高程系统，控制点均匀覆盖坝址区和库区测量范围。

采用南方公司产 GNSS （S82T）双频接收机进行同步观测，仪器标称精度：±（5.0+1.0×10-6．D ）mm。

控制网平差计算后，平面最弱点误差 2.53mm，高程最弱点误差 3.01mm，最弱相邻点边长相对中误差 1：156201，经控制测量控制点满足规范要求，为下一步航测开展奠定基础。

本次航摄选用 ZC-1 无人机飞行平台，飞行控制系统为YS09，采用2 000万像素NikonD810相机，定焦镜头，焦距 35mm，快门速度 1/1 000s，最大续航时间 2.3h，最大航程 210Km。

依据该测区平均地形高，充分顾及周围最高点海拔，避免航飞事故，按照 1∶2 000 比例尺地形图规范要求，获取分辨率优于 0.2m 影像， 要求航摄影像清晰、色彩饱满、无明显阴影遮挡、明暗适中。

为保证最低点分辨率满足要求，本次航测获取影像平均地面分辨率为 0.15m。

分区界线应与图廓线相一致，在地形高差符合规范规定，且能够确保航线的直线性的情况下，尽量设置较大的分区跨度，要求能完整覆盖整个摄区，该项目根据测区实际地形情况，兼顾安全与重叠度，分为 3 个航摄分区。

相对航高根据相机像元大小 Pi=4.8μm、焦距f=35mm、以及所需地面分辨率 GSD=0.15 来计算，具体计算公式如下：

式中：GSD—地面分辨率，cm；Pi—数码相机像元大小，μm；H—相对航高，m；M—航摄比例尺分母，m；f —相机焦距，mm。

经计算：航摄相对航高为 1 094m，该测区平均地形高约 2 300m，故设计航飞高度约 3 400m。

航线采用中测新图公司的 Tupline 航线设计软件，进行航线敷设设计。航线根据各航摄分区，设置好航向重叠度 70％、旁向重叠度 55％、飞行航高3 400m、航线敷设方向等参数，进行自动敷设。

选择阳光柔和的晴天实施航摄，风力不应超过 5 级， 不应存在大面积云雾遮挡。

选择正午前后进行航摄，保证因地形起伏引起的大面积阴影，最佳时间应为上午 10 点至下午 3 点间。

像控点标志为“ ╋ ”字结构，用石灰喷涂地表面，横竖长度不低于 1.5m，点位目标影像清晰， 易于判别和立体测图。

像控点布设也尽量使用地面固定的明显地物，以保证像控不被移动和破坏，节约像控布设人力、物力，首级控制网的布设也尽量满足像控点布设要求，达到一次性布点多种用途，整个测区一共布设像控451 点，检查点 318 点。

像控点采用实时动态 GNSSRTK 技术进行测定，观测时尽量扶稳，使天线水平气泡稳定居中，按照像控布置要求认真观测每一个测量成果，实施记录编号，确保每个像控测量精度满足规范要求，当天完成量测像控点的汇总，将每一个像控点与相应照片一一对应整理。

无人机相机为非测量型数码相机，不具备稳定的相机参数，在空三匹配前，需对影像进行畸变改正。

鉴于室外检校较为繁琐，相机检校方式选择室内检校，检校依据为光束法平差，将相机内方位元素xo、yo、f以及畸变系数作为未知量代入模型解算：

上式为数码相机畸变差改正模型，其中和是像点的坐标改正，△x，△y是影像中心为原点的像点坐标，x、y是像主点坐标，

k1、k2为径向畸变，p1、p2为切向畸变，将公式（1）代入共线方程进行解算，可得到影像畸变参数如表 1 所示：

空中三角测量是依据少量野外控制点，经内业加密解算，得到大量加密点平面位置和高程的方法，空三是影像数据处理的重要环节，通过影像特征匹配建立像对间严密关系，进而通过控制点量测得到像点对应物方点空间位置。

空中三角测量的平差单元是每个光束，基础方程为共线方程，光束法空三平差模型见图 3：

将数学模型即共线方程线性化，在内方位元素已知的情况下，有：

上式（3）中，A，B 为两矩阵，t 和 X 是像片方位元素和物方坐标，L 为常数项，利用 inpho 摄影测量软件，建立工程，导入影像、POS 数据、控制点，通过自动连接点提取、像控点量测、光束法平差完成空中三角测量。

首先将满足精度要求的空三成果导入MapMatrix 软件环境中，利用解算好的外方位元素完成立体模型的建立，然后将控制点、检查点导入检查模型精度。

参照国家规范，不同比例尺不同环境基本定向点及检查点中误差如表 2 所示，最大残差值视为 2 倍中误差。

该测区大部分区域为陡峭山地，高差较大，少部分区域为平地，故视为高山地形对待，成图比例尺为 1∶2 000，经目视立体检查，各架次检查情况见表 3：

由表 2、3 可得出，该项目 3 架次空三成果的基本定向点和检查点中误差及限差都满足相关规范要求，绝对定向精度达到 1∶2 000 数字线划图数据采集及制作 1∶2 000 正射影像图要求。

建立满足精度要求的立体模型后，在MapMatrix 数字摄影测量工作站上根据模型判读测图，针对植被覆盖，时效性缺失区域，需在完成立体采集后进行野外补测。

需挑选最佳模型像对，既保证像控点检查满足需求，又符合视差规范，使得相邻计曲线图上间距小于 5mm 才进行立体采集，先采集计曲线，最后插绘首曲线。

地表面有植被覆盖时，应沿着植被的表面测绘，并加入植被高度的改正，在树林密集区域，依据野外采集点和立体模型进行测绘。

测图范围内的独立地物，电力线、通信线、电缆、光缆及地面架空管线，各种等级的道路均准确测绘。

房屋标明建筑材料和层数，植被区分经济林和成材林，土地分果园、菜地、水田、旱地、荒地等。

图中村镇、水系、河流、沟壑、铁路、公路、管线、*物文**保护区、水库等应有明确的标识，最后使用南方 CASS7.0 成图 软件进行编辑处理，图层的分类和编码严格按照国标进行分类和编码。

外业调绘按航测外业规范的相关调绘要求进行，以白纸线划图为底图到野外实施调绘。

调绘内容包含：独立地物、居民地、道路、水系、管线、植被及新增地物，同时对地形、地貌进行巡查。

调绘过程中注重地物属性的核查：居民地要明确材料、层数，并注记村名，电力线、电缆、电杆和铁塔等要逐杆调绘，明确区分好高压、低压等，注重光缆、通信线路以及电压值等线数标记，明确线路走向。

公路等级、路面状况和宽度进行实地位置调绘，耕地及植被类型做好明确的区分，按照农作物的不同种类进行调绘处理，水系要明确河流、水渠流向，水库、水塘要注记名称，防洪墙、水闸、水井要明确具体位置。

调绘过程中发现遗漏地物和新增地物，用GNSS RTK及时补测，地形地貌和实地不相符的区域进行修测。

外业检查及精度评定为了验证航测成果的可靠性，在测区范围内按不同区域均匀采集了 863 个地形、地物点，其*特中**征点 215 点，主要采集房角、电杆等有代表性的特征点，地形点 648 点，主要在山包、山脚、鞍部、山凹以及地形变坡的地方采点，高程点精度统计概况如图 4 示：

分析图 4与表 4，该测区总体平面高程中误差均优于高山地 1∶2 000 地形图精度规范要求，从高程分析统计图可看出，存在少部分粗差点，高程误差约 2m 左右，但其也满足高程限差要求。

经精度评定，该地形图采集精度满足 CH/Z 3003-2010《低空数字航空摄影测量内业规范》及 SL 197—2013《水利水电工程测量规范》 规定的精度要求。

使用无人机摄影测量技术，减轻了人员投入、降低了作业强度、提升了生产效率，对比常规外业测量大幅度加快了作业进度，并且完成了满足精度要求的测绘成果。

结语

以无人机技术为驱动，测绘新技术日益发展，无人机航摄技术综合了多种新兴技术，具有操作简单、成本低、精度高等优势，在我国测量领域发挥了巨大的推动作用，进而促进我国社会经济水平的持续发展。

现如今，无人机航测技术在大比例尺地形测量领域得到了广泛应用，是当前测绘领域中较为先进的测量技术之一， 对我国地形测量工作的发展具有积极的促进作用。