【技術】低空攝影測量在地形圖測量中的應用探討

摘 要：

通過低空攝影測量應用于大比例尺地形圖測量項目的實驗，總結出低空攝影測量進行大比例尺地形圖測量的作業流程，并對影響空中三角測量精度的像片控制點布設方案進行了研究，提出了像片控制點布設原則，可以為低空攝影測量在地形圖測量中的應用提供參考。

關鍵詞： 低空攝影測量;空中三角測量;像片控制點;大比例尺地形圖

1、低空攝影測量概述

無人駕駛飛機簡稱無人機(unmanned aerial vehicle，縮寫UAV)，是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器。無人機低空數字攝影測量是近年來發展較快的一門測量技術，無人機、數碼相機技術的飛速發展以及攝影測量軟件數據處理能力的不斷提高，為低空攝影測量技術的發展應用準備了充分的條件，國家測繪地理信息局也在全國范圍內大力推廣無人機低空攝影測量，發布了相應的測繪行業標準以及標準化指導性技術文件，為無人機低空攝影測量提供了作業流程及數據處理規范。

目前，在電廠、變電所(站)等勘測工程的大比例尺地形圖測量作業中，仍然使用傳統的工程測量作業方法，需要投入較大的人力和較多的設備，作業效率不高，而應用傳統航空攝影測量或衛星遙感等測量手段投入成本較大，不適合在場站電力工程等小面積地形圖測量項目中推廣，因此研究無人機低空攝影測量在大比例尺地形圖測量工程中的應用具有重要意義。同時，應用無人機低空攝影測量技術進行大比例尺地形圖測量也符合電力工程建設測繪用圖的現勢性和緊迫性要求。無人機低空攝影測量技術的應用不僅可以解決傳統電力工程測量周期長、數字地圖不直觀的不足，還大大減輕野外技術人員勞動強度，提高測繪工作效率，為設計人員提供了豐富可靠的測量產品，為優秀的設計方案提供有力的基礎數據支撐。

無人機低空攝影測量的應用需要與傳統高空攝影測量的作業流程進行比較，并確定適應滿足工程要求的像片控制點方案，以獲取滿足工程要求的地形圖成果。本文對無人機低空攝影測量應用于大比例尺地形圖測量的作業流程和外控點布設方式進行了探討, 為無人機低空攝影測量在大比例尺地形圖(本文中的大比例尺指1 ∶ 1 000)中的應用進行了有益的嘗試。

2、低空攝影測量作業流程研究

在甘肅(電廠項目)和江西(變電站項目)兩處大比例尺地形圖測量工程中利用無人機低空攝影測量進行了實驗生產，在較短時間內就獲得了符合《火電廠工程測量技術規程》(DL/T 5001-2014)要求的大比例尺數字線劃圖(DLG)，為工程的后續勘察設計工作爭取了寶貴的時間。兩個項目測區的低空攝影測量航拍工作均委托有資質的專業航飛公司進行，選擇氣候條件較好的時間進行了航飛，最終獲得了質量較高的測區航攝影像。

為了探討無人機低空攝影測量應用于大比例尺地形圖測量的作業流程，在甘肅電廠項目中，先按照傳統的航空攝影測量全野外作業方法進行外控測量，獲得外控成果后，利用專業低空攝影測量處理軟件(本試驗采用適普公司的DPGrid 軟件)進行影像預處理后進行空中三角測量，在空中三角測量過程中，采用不同的控制點方案進行區域網平差，并比較空中三角測量成果精度，利用符合規范要求的空三成果輸出立體測圖模型，在JX4 或VirtuoZo 軟件中進行矢量測圖[1-2]。上述作業流程是典型的航空攝影測量作業流程，但無人機低空攝影測量比較航空攝影測量存在較多的誤差來源，有攝影測量平臺誤差、相機畸變誤差、定向誤差等，為了評定立體測圖精度，在JX4 數字測圖系統下生成數字地形圖(草圖)，使用紙質打印后，再到測區進行布設檢查點位的測量、野外調繪、電力線及管線等補測，計算內外業高程差值，通過外業檢查測量的方法評定其精度。通過對甘肅電廠項目(測區1)進行外業檢測比較，平面精度較好，均能滿足規范要求，高程需要進行修正處理，檢測比較的高程中誤差為m=±0.41 m，不能滿足工程大比例尺地形圖測量規范要求。

為了獲得滿足規范要求的數字線劃圖成果，在甘肅電廠項目(測區1)中進行了高程擬合修正試驗，得出了利用部分外業檢查測量點對內業測量點高程進行擬合修正的有效方法，利用編制的數據處理軟件計算野外測量數據與JX4 內業測量數據的高程差值并進行擬合，我們對擬合改正后的高程點進行實地再次檢測，其高程差值的絕對值均小于0.3 m，統計計算高程誤差為±0.15 m。

通過總結甘肅電廠項目經驗，獲得測量作業流程，在江西變電所項目中又對該流程進行了驗證，經過上述流程得出的地形圖高程精度統計如表1 所示。

通過以上試驗，總結出無人機低空數字航空攝影測量技術在地形圖工程測量中作業流程，主要分為以下工序：

1)利用無人機低空攝影獲取航攝影像。

2)利用獲得的影像進行像控點布設方案設計。

3)在實地進行像片控制點測量。

4)像片控制測量完成后進行外業調繪和相關檢查測量。

5)利用專業的低空攝影測量影像數據處理軟件進行影像數據預處理和空中三角測量，并對空三成果精度進行精度評定，通過選取不同的控制點進行空中三角測量，確保獲得的空三成果符合規范要求。

6)利用軟件輸出數字高程模型(DEM)并制作數字正射影像圖(DOM)，同時輸出立體測圖模型。

7)利用外業實地測量點數據對內業測量矢量圖進行精度評定，對精度不滿足要求的區域進行內業高程修正并重新評定其精度，確保評定精度滿足規范要求。

8)資料整理與歸檔。

完整的作業流程圖如圖1 所示。

從流程圖中可以發現，要獲得滿足工程規范要求的大比例尺數字線劃圖成果，由于低空攝影通常采用的是非檢校的數碼相機，需要對拍攝的像片進行影像畸變差和系統誤差改正(預處理)，使之能符合常規攝影測量對數據處理的要求，預處理完成之后有兩個關鍵的處理過程，即空中三角測量和內業高程數據修正。在實驗過程中，通過選取不同的像片控制點進行區域網平差，獲得符合要求的空三成果，像片控制點的布設方案及空三時的選取方案決定了空中三角測量的平差精度，平差完成之后輸出的高精度的立體定向模型是后續立體量測地面點三維坐標的基礎;矢量測圖完成后，利用外業檢查測量點數據對矢量測圖成果進行評定，對不滿足精度要求的區域進行高程擬合修正，從而獲得需要的地形圖成果。利用外業檢查測量點高程數據對內業矢量測圖成果進行修正是工程應用的需要，上述流程的關鍵是空中三角測量，而影響空中三角測量精度最重要的因素是像片控制點的布設，對于高空攝影測量，像片控制點的布設具有成熟的方案，對于無人機攝影測量，則需要進一步的探討。

3、外控點布設方案研究

為了研究像片控制點布設方案，在甘肅電廠項目中采用全野外方法進行了像片控制點測量，在江西變電站項目中根據甘肅電廠項目經驗進行了像片控制點布設方案驗證。無人機低空數字攝影的像幅小、像片多，像控點布設可采取兩種方式：

第一種方式是在飛行后根據影像特征點實地刺點獲取點位坐標，在甘肅電廠工程中采取了這種方式布點，由于是首次將無人機數字攝影技術應用于火電廠地形圖測量，采取了全野外布點方式，每一像對2~4個像控點。

第二種方式是在飛行前在合適的點位布標，這種方法沒有相應的規程規范。在江西變電站工程兩個站址測量中對這種布點方式進行了有效嘗試，取得了良好的試驗效果。飛行后直接在影像上刺得像控點，減少刺點判點誤差，適合于自然特征點比較少的工作區域。

甘肅電廠和江西變電站試驗項目像控點布設情況見表2 所示。

在甘肅電廠項目外業控制點測量完成后，利用DPGrid 軟件進行影像處理和空中三角測量，因為采用全野外方法測量了390 個控制點，在空中三角測量時設計了4 種方案進行比較，以總結像片控制點布設原則，4 種方案分述如下：

方案1 ：全部控制點都作為平高控制點。

方案2 ：區域內四周邊點的控制點全部為布設平高控制點，四角控制點布成點組形式，區域內部的控制點都設為檢查點，如圖2a 所示。

方案3 ：區域內四周邊點的控制點全部布設為平高控制點，并在周邊布設較為密集的平高控制點，區域中間再加少量平高控制點，中間平高控制點依據地形地貌進行選取，如圖2b 所示。

方案4 ：與方案3 類似，區域內四周邊點的控制點全部為布設平高控制點，并在周邊布設較為密集的平高控制點，但區域中間全部作為檢查點，如圖2c 所示。

最終獲得的空中三角測量控制點和檢查點精度如表3 所示。

從表3 可以看出，采用方案2 進行空中三角測量時，精度明顯降低，不能滿足規范空三測量要求，而方案3 與方案4 雖然精度較方案1 有所下降，但仍然能滿足規范的精度要求，而且方案3 與方案4 的精度結果比較接近。在上述比較完成后，我們對周邊布點的密度以及測區內控制點布設也進行了選取試驗，結果表明周邊布點以8 條攝影基線長度為宜，同時測區內部需要數量合適的控制點。根據甘肅電廠項目像片控制點選取試驗比較結果，總結出如下兩點布點經驗：

1)測區四周布置點數要相對密集，測區中間只需布設合適數量的控制點，周邊布點其跨度為i=8b(b為攝影基線長度)。

2)各種地形的區域要布設一定數量的控制點，如空地、林地、灌木區、旱地、水田等，控制點應能控制測區地形地貌。

上述布點方案在江西變電站項目中進行了檢驗，并取得了較好的空中三角測量成果，江西變電站兩個站址空中三角測量精度統計如表4 所示。

從上表可以看出，采用上述布點原則進行低空攝影測量像片控制點布設，既減少了外業控制測量的工作量，也能獲得滿足大比例尺地形圖測量規范要求的空中三角測量成果。

4、結 語

無人機低空攝影測量是目前大比例尺地形圖測繪發展的一個方向，在火力發電廠、變電站、核電等項目小區域大比例尺地形圖測繪項目中，應用無人機低空攝影測量技術是完成電力工程測量任務的有效手段和便捷途徑。本文通過甘肅電廠項目和江西變電站項目的生產實驗，總結了應用低空攝影測量作業手段進行大比例尺地形圖測量的作業流程，并對其中的關鍵過程像片控制點布設進行了研究，得出了像片控制點布設的一般性原則，為無人機低空攝影測量在工程中的應用提供了有益的參考。但無人機低空攝影測量平臺和航攝數碼相機眾多，在具體的工程實踐中還需要考慮不同平臺和相機間的差異，通過更多的工程實踐總結出更普通性的作業流程和像控點布設方法，以便無人機低空攝影測量這一新興測繪技術在工程測量中得到更好的推廣應用。

參考文獻

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來源：《地理空間信息》