【技術】1∶500 航測法高精度成圖的關鍵技術研究及其應用

[摘要]本文通過對1∶500 無人機航測法成圖過程中誤差產生的來源進行分析，研究提高成圖精度的關鍵技術，經過試驗建立1∶500 無人機航測法高精度成圖技術路線和工藝流程，并給出實際生產項目中的具體工程應用案例。

[關鍵詞]事后差分GPS;引閃器;構架航線;像點位移;曝光延遲

1 引言

1∶500 地形圖測繪全野外成圖工作量大，工期較長，成本較高。長期以來，為了減少工作量、縮短工期、降低成本，業內一直嘗試采用航測法成圖，并做了大量研究和嘗試，但精度一直不理想。近些年無人機航攝因為使用方便，數據獲取成本低、速度快，在1∶1000、1∶2000 等比例尺的地形圖測繪、正射影像圖生產等領域得到廣泛應用，但在1∶500 航測法地形圖測繪中，精度仍然不能完全達到規范要求。

本文通過對1∶500 無人機航測法成圖過程中誤差產生的來源進行分析，研究提高航測法成圖精度的關鍵技術，選用速度慢、振動小、姿態好的電動差分無人機作為航攝平臺，通過航線優化設計，建立1∶500無人機航測法高精度成圖技術路線和工藝流程。

2 1∶500 航測法成圖誤差來源

(1)像片的地面分辨率和影像質量

在傳統無人機航測法成圖過程中，像片控制測量誤差、空中三角測量誤差、立體像對定向誤差、立體采集過程中的位置判定誤差等，會在作業過程中不斷傳遞并積累，影響成圖的最終精度。

不難發現，所有環節誤差的產生都與像片的分辨率和影像質量有關。分辨率越高、影像質量越好，判讀就越準確，誤差也就越小，所以要提高成圖精度必須首先提高像片的地面分辨率和影像質量。

(2)鏡頭畸變

無人機航攝采用的相機一般為非量測型全畫幅相機，鏡頭畸變大，尤其是邊緣部分。盡管可以根據相機畸變參數對像片進行畸變糾正，但糾正過程中會產生糾正誤差，且越往邊緣，糾正誤差越大。所以為了提高精度，應加大像片重疊度，盡可能使用像片中心部分的影像。

(3)像片外方位元素

一般的無人機沒有配置高精度慣導裝置，僅采用普通GPS 進行定位導航，所以在相機曝光同時記錄的位置數據誤差很大，需要后期完成大量的像片控制測量后，才能進行空中三角測量。為了減少像片控制測量工作量及后繼工序的誤差累積，應盡可能提高曝光瞬間像片的外方位元素精度。

3 高精度成圖關鍵技術

根據誤差來源分析，要提高成圖精度，有必要采用一些關鍵技術手段和方法，以增強影像質量、提高影像地面分辨率、減小鏡頭畸變影響、提高像片外方位元素精度。

(1)事后差分GPS

事后差分GPS 系統包括基站GPS、移動站GPS 和事后差分解算軟件。基站GPS 架設在已經測定精確位置的點位上進行長時間連續觀測。移動站GPS 搭載在無人機上，其天線中心位置與相機中心位置經過量測標定。移動站在飛行過程中連續觀測，并完整記錄相機曝光瞬間給出的曝光時間戳信號。航攝完成后，事后差分解算軟件根據基站精確位置數據、基站連續觀測數據、移動站連續觀測及曝光時間戳數據進行事后差分解算，獲得每張像片的高精度位置坐標數據。

(2)相機曝光與移動站GPS記錄時間戳高度同步相機曝光的真實時間與移動站GPS 記錄的時間戳總會有些誤差，需要采用一定的技術手段最大限度減小這個差值，盡可能實現相機曝光時間與移動站GPS 記錄的曝光時間戳同步。

(3)增強像片影像質量

像片影像質量直接影響影像判讀準確度，對1∶500 測圖尤為重要。所以需要選用成像質量較好的相機，選擇空氣潔凈、光照充足的時間段，優化相機參數后進行航攝，以獲得影像質量較好的像片。

(4)適度提高影像地面分辨率

影像分辨率越高，在航測法成圖的各個環節中對影像的判讀精度就會越高，但是航攝效率會下降。根據《數字航空攝影規范 第一部分：框幅式數字航空攝影》，1∶500 航測法成圖要求航攝地面分辨率小于0.08m，在兼顧航攝效率的同時為了提高成圖精度，根據經驗確定地面分辨率為0.04～0.05m。

(5)減小像點位移

像點位移會降低影像解析能力，影響判讀精度。規范規定像點位移一般不應大于1 個像素，最大不應大于1.5 個像素。由像點位移公式δ=v×t/GSD 可知，要減小像點位移就要降低飛行速度，縮短曝光時間。所以需要在確保影像質量的情況下將曝光時間縮到最短。根據經驗，像點位移小于1/3 個像素時可保證影像解析能力。

(6)提高像片重疊度

提高像片航向重疊度和旁向重疊度，有利于減少對像片邊緣影像的利用，最大限度降低像片畸變糾正過程中的影像糾正誤差。規范規定航攝重疊度一般應為航向60%～65%，旁向20%～30%。為了提高成圖精度，可加大重疊度。根據經驗，航向重疊度取70%～75%，旁向重疊取60%～65%可顯著提高空中三角測量平差精度。

(7)增加構架航線

構架航線與正常航線垂直布設，起高程控制點作用，有利于減少像片控制點量測數量，增強區域網模型之間連續性，提高空中三角測量平差精度。構架航線結合事后差分解算提供的像片高精度POS 數據，能夠實現稀少像片控制點甚至無像片控制點完成空中三角測量。

4 1∶500 無人機航測法高精度成圖試驗

4.1 試驗流程及飛行區域選擇

本試驗過程包括飛行區域選擇、航攝設計及相機檢校、航攝作業、事后差分解算、空中三角測量、檢查點立體量測、檢查點野外量測、精度評定等步驟，具體試驗流程如圖1。

選擇的試驗區域位于四川省簡陽市，面積約3km2，整體地形為丘陵，高差約80m。區域內有居民地、廠房、道路、平整地塊、水系、植被等地物，對于本次試驗具有典型的代表意義。

圖1 試驗流程

4.2 航攝設計及相機檢校

(1)航攝飛行平臺的選擇

航攝飛行平臺應裝備高精度差分GPS 系統，實現相機曝光時間戳的精確記錄;采用電力驅動，實現慢速、穩定飛行。CW-10 電動復合翼垂直起降無人機自帶高精度差分GPS、引閃器，采用大容量鋰電驅動，飛行振動小，巡航速度20m/s，在曝光時間不長于1/1600s 時，可以保證像點位移在1/3 像素以內，是本試驗較為理想的飛行平臺。

(2)相機選擇及參數標定

相機選用3600 萬像素全畫幅Sony ILCE-7R 機身，像元尺寸4.88u，搭配成像質量較好的蔡司35mm 定焦鏡頭。相機的內方位元素和畸變參數經精確標定。

(3)航線規劃

設計地面分辨率為0.04m，航向重疊度70%，旁向重疊度60%，構架航線垂直于主航線，位于測區內離主航線兩端頭4 條基線長度的位置，航高比主航線高50m。規劃航線如圖2，東西方向為主航線，南北方向為構架航線。

圖2 規劃航線

4.3 無人機航攝作業

選擇合適天氣，測定基站GPS 坐標，完成無人機航攝作業，完整下載航攝像片數據、基站GPS 數據、移動站GPS 數據，并檢查數據完整性及可用性。

4.4 事后差分解算及空中三角測量

(1)事后差分解算

利用事后差分解算軟件對基站坐標數據、基站GPS 數據、移動站GPS 數據、機載POS 數據進行聯合解算，得出精確的影像POS 數據，平面坐標系為CGCS2000，高程系為橢球高，也可以加上高程異常，使用正常高。

(2)空中三角測量

選擇GodWork 軟件作為空中三角測量工具。整個空三過程包括：原始數據載入、自動相對定向、自動絕對定向、平差和輸出結果。這個過程只需要少量的人工干預。

4.5 精度檢測

(1)檢查點立體量測

將空三結果導入到全數字攝影測量系統，在立體上量測檢查點三維坐標。

(2)檢查點野外量測

采用天寶RTK 到野外實地測量檢查點三維坐標。

(3)精度對比

以檢查點野外量測為基準，立體量測相對野外量測的平面位置中誤差、高程中誤差分別按下面公式計算。

式中：

m1——檢查點中誤差，單位為米(m);

Δ——檢查點野外實測值與立體觀測值的誤差，單位為米(m);

n ——參與評定精度的檢查點數(每幅圖20～50個)。

隨機抽出兩幅圖進行精度檢測。每幅圖檢查點個數為33 個，總計66 個，并均勻分布。檢查點統計計算結果見表1。平面位置中誤差為0.071m，最大誤差為0.158m;高程中誤差為0.069m，最大誤差為0.129m。小于2 倍中誤差的檢查點有10 個，小于1 倍中誤差的檢查點有56 個。

表2、表3 分別為GB/T 23236-2009 《數字航空攝影測量空中三角測量規范》、GB/T 14912-2005《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業數字測圖技術規程》關于1：500 比例尺的精度要求。對比表1 和表2、表3，試驗實現了1∶500 無人機航測法高精度成圖的試驗目標。

表1 檢查點誤差統計表

5 1∶500 無人機航測法高精度成圖的工程應用

經試驗驗證后，利用本技術方案實際應用于廣安市溪口鎮1∶500 地形圖測繪。測區位于山谷地帶，面積2km2，中央地形較平，為丘陵地形，四周屬于山地地形，利用本技術方案完成了航飛、POS 解算、空中三角測量、內業立體測圖。精度檢測時隨機抽取4幅圖進行精度檢測，檢查點共84 個。經統計，平面中誤差±0.09m，高程中誤差±0.08m，平面及高程精度均滿足相關規范要求。

6 結束語

在當前差分GPS 技術、無人機技術、相機技術不斷進步的過程中，通過科學的優化技術路線，1∶500無人機航測法高精度成圖試驗成功并在實際工程中得到應用，完成了業內追求多年的夙愿，順利實現1∶500 地形圖測繪工期縮短、成本降低的目標。雖然因植被覆蓋無法看見的地物測量、房檐改正等工作，仍需要野外實地測量，航測法成圖不能完全代替野外作業，但這并不能影響1∶500 無人機航測法高精度成圖在實際工程應用中的重要現實意義。

參考文獻:略

來源：《測繪》2017年8月