摘 要：

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

關(guān)鍵詞： 低空攝影測量;空中三角測量;像片控制點(diǎn);大比例尺地形圖

1、低空攝影測量概述

無人駕駛飛機(jī)簡稱無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，縮寫UAV)，是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器。無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測量是近年來發(fā)展較快的一門測量技術(shù)，無人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及攝影測量軟件數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，為低空攝影測量技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用準(zhǔn)備了充分的條件，國家測繪地理信息局也在全國范圍內(nèi)大力推廣無人機(jī)低空攝影測量，發(fā)布了相應(yīng)的測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件，為無人機(jī)低空攝影測量提供了作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理規(guī)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(yè)中，仍然使用傳統(tǒng)的工程測量作業(yè)方法，需要投入較大的人力和較多的設(shè)備，作業(yè)效率不高，而應(yīng)用傳統(tǒng)航空攝影測量或衛(wèi)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(jī)低空攝影測量在大比例尺地形圖測量工程中的應(yīng)用具有重要意義。同時，應(yīng)用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測量也符合電力工程建設(shè)測繪用圖的現(xiàn)勢性和緊迫性要求。無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用不僅可以解決傳統(tǒng)電力工程測量周期長、數(shù)字地圖不直觀的不足，還大大減輕野外技術(shù)人員勞動強(qiáng)度，提高測繪工作效率，為設(shè)計人員提供了豐富可靠的測量產(chǎn)品，為優(yōu)秀的設(shè)計方案提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

無人機(jī)低空攝影測量的應(yīng)用需要與傳統(tǒng)高空攝影測量的作業(yè)流程進(jìn)行比較，并確定適應(yīng)滿足工程要求的像片控制點(diǎn)方案，以獲取滿足工程要求的地形圖成果。本文對無人機(jī)低空攝影測量應(yīng)用于大比例尺地形圖測量的作業(yè)流程和外控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行了探討, 為無人機(jī)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(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。

2、低空攝影測量作業(yè)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(jī)低空攝影測量進(jìn)行了實驗生產(chǎn)，在較短時間內(nèi)就獲得了符合《火電廠工程測量技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5001-2014)要求的大比例尺數(shù)字線劃圖(DLG)，為工程的后續(xù)勘察設(shè)計工作爭取了寶貴的時間。兩個項目測區(qū)的低空攝影測量航拍工作均委托有資質(zhì)的專業(yè)航飛公司進(jìn)行，選擇氣候條件較好的時間進(jìn)行了航飛，最終獲得了質(zhì)量較高的測區(qū)航攝影像。

為了探討無人機(jī)低空攝影測量應(yīng)用于大比例尺地形圖測量的作業(yè)流程，在甘肅電廠項目中，先按照傳統(tǒng)的航空攝影測量全野外作業(yè)方法進(jìn)行外控測量，獲得外控成果后，利用專業(yè)低空攝影測量處理軟件(本試驗采用適普公司的DPGrid 軟件)進(jìn)行影像預(yù)處理后進(jìn)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(diǎn)方案進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，并比較空中三角測量成果精度，利用符合規(guī)范要求的空三成果輸出立體測圖模型，在JX4 或VirtuoZo 軟件中進(jìn)行矢量測圖[1-2]。上述作業(yè)流程是典型的航空攝影測量作業(yè)流程，但無人機(jī)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(jī)畸變誤差、定向誤差等，為了評定立體測圖精度，在JX4 數(shù)字測圖系統(tǒng)下生成數(shù)字地形圖(草圖)，使用紙質(zhì)打印后，再到測區(qū)進(jìn)行布設(shè)檢查點(diǎn)位的測量、野外調(diào)繪、電力線及管線等補(bǔ)測，計算內(nèi)外業(yè)高程差值，通過外業(yè)檢查測量的方法評定其精度。通過對甘肅電廠項目(測區(qū)1)進(jìn)行外業(yè)檢測比較，平面精度較好，均能滿足規(guī)范要求，高程需要進(jìn)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(guī)范要求。

為了獲得滿足規(guī)范要求的數(shù)字線劃圖成果，在甘肅電廠項目(測區(qū)1)中進(jìn)行了高程擬合修正試驗，得出了利用部分外業(yè)檢查測量點(diǎn)對內(nèi)業(yè)測量點(diǎn)高程進(jìn)行擬合修正的有效方法，利用編制的數(shù)據(jù)處理軟件計算野外測量數(shù)據(jù)與JX4 內(nèi)業(yè)測量數(shù)據(jù)的高程差值并進(jìn)行擬合，我們對擬合改正后的高程點(diǎn)進(jìn)行實地再次檢測，其高程差值的絕對值均小于0.3 m，統(tǒng)計計算高程誤差為±0.15 m。

通過總結(jié)甘肅電廠項目經(jīng)驗，獲得測量作業(yè)流程，在江西變電所項目中又對該流程進(jìn)行了驗證，經(jīng)過上述流程得出的地形圖高程精度統(tǒng)計如表1 所示。

通過以上試驗，總結(jié)出無人機(jī)低空數(shù)字航空攝影測量技術(shù)在地形圖工程測量中作業(yè)流程，主要分為以下工序：

1)利用無人機(jī)低空攝影獲取航攝影像。

2)利用獲得的影像進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計。

3)在實地進(jìn)行像片控制點(diǎn)測量。

4)像片控制測量完成后進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪和相關(guān)檢查測量。

5)利用專業(yè)的低空攝影測量影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和空中三角測量，并對空三成果精度進(jìn)行精度評定，通過選取不同的控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角測量，確保獲得的空三成果符合規(guī)范要求。

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

7)利用外業(yè)實地測量點(diǎn)數(shù)據(jù)對內(nèi)業(yè)測量矢量圖進(jìn)行精度評定，對精度不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行內(nèi)業(yè)高程修正并重新評定其精度，確保評定精度滿足規(guī)范要求。

8)資料整理與歸檔。

完整的作業(yè)流程圖如圖1 所示。

從流程圖中可以發(fā)現(xiàn)，要獲得滿足工程規(guī)范要求的大比例尺數(shù)字線劃圖成果，由于低空攝影通常采用的是非檢校的數(shù)碼相機(jī)，需要對拍攝的像片進(jìn)行影像畸變差和系統(tǒng)誤差改正(預(yù)處理)，使之能符合常規(guī)攝影測量對數(shù)據(jù)處理的要求，預(yù)處理完成之后有兩個關(guān)鍵的處理過程，即空中三角測量和內(nèi)業(yè)高程數(shù)據(jù)修正。在實驗過程中，通過選取不同的像片控制點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，獲得符合要求的空三成果，像片控制點(diǎn)的布設(shè)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(xù)立體量測地面點(diǎn)三維坐標(biāo)的基礎(chǔ);矢量測圖完成后，利用外業(yè)檢查測量點(diǎn)數(shù)據(jù)對矢量測圖成果進(jìn)行評定，對不滿足精度要求的區(qū)域進(jìn)行高程擬合修正，從而獲得需要的地形圖成果。利用外業(yè)檢查測量點(diǎn)高程數(shù)據(jù)對內(nèi)業(yè)矢量測圖成果進(jìn)行修正是工程應(yīng)用的需要，上述流程的關(guān)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(diǎn)的布設(shè)，對于高空攝影測量，像片控制點(diǎn)的布設(shè)具有成熟的方案，對于無人機(jī)攝影測量，則需要進(jìn)一步的探討。

3、外控點(diǎn)布設(shè)方案研究

為了研究像片控制點(diǎn)布設(shè)方案，在甘肅電廠項目中采用全野外方法進(jìn)行了像片控制點(diǎn)測量，在江西變電站項目中根據(jù)甘肅電廠項目經(jīng)驗進(jìn)行了像片控制點(diǎn)布設(shè)方案驗證。無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影的像幅小、像片多，像控點(diǎn)布設(shè)可采取兩種方式：

第一種方式是在飛行后根據(jù)影像特征點(diǎn)實地刺點(diǎn)獲取點(diǎn)位坐標(biāo)，在甘肅電廠工程中采取了這種方式布點(diǎn)，由于是首次將無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)應(yīng)用于火電廠地形圖測量，采取了全野外布點(diǎn)方式，每一像對2~4個像控點(diǎn)。

第二種方式是在飛行前在合適的點(diǎn)位布標(biāo)，這種方法沒有相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范。在江西變電站工程兩個站址測量中對這種布點(diǎn)方式進(jìn)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(diǎn)，減少刺點(diǎn)判點(diǎn)誤差，適合于自然特征點(diǎn)比較少的工作區(qū)域。

甘肅電廠和江西變電站試驗項目像控點(diǎn)布設(shè)情況見表2 所示。

在甘肅電廠項目外業(yè)控制點(diǎn)測量完成后，利用DPGrid 軟件進(jìn)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(diǎn)，在空中三角測量時設(shè)計了4 種方案進(jìn)行比較，以總結(jié)像片控制點(diǎn)布設(shè)原則，4 種方案分述如下：

方案1 ：全部控制點(diǎn)都作為平高控制點(diǎn)。

方案2 ：區(qū)域內(nèi)四周邊點(diǎn)的控制點(diǎn)全部為布設(shè)平高控制點(diǎn)，四角控制點(diǎn)布成點(diǎn)組形式，區(qū)域內(nèi)部的控制點(diǎn)都設(shè)為檢查點(diǎn)，如圖2a 所示。

方案3 ：區(qū)域內(nèi)四周邊點(diǎn)的控制點(diǎn)全部布設(shè)為平高控制點(diǎn)，并在周邊布設(shè)較為密集的平高控制點(diǎn)，區(qū)域中間再加少量平高控制點(diǎn)，中間平高控制點(diǎn)依據(jù)地形地貌進(jìn)行選取，如圖2b 所示。

方案4 ：與方案3 類似，區(qū)域內(nèi)四周邊點(diǎn)的控制點(diǎn)全部為布設(shè)平高控制點(diǎn)，并在周邊布設(shè)較為密集的平高控制點(diǎn)，但區(qū)域中間全部作為檢查點(diǎn)，如圖2c 所示。

最終獲得的空中三角測量控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度如表3 所示。

從表3 可以看出，采用方案2 進(jìn)行空中三角測量時，精度明顯降低，不能滿足規(guī)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(guī)范的精度要求，而且方案3 與方案4 的精度結(jié)果比較接近。在上述比較完成后，我們對周邊布點(diǎn)的密度以及測區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)布設(shè)也進(jìn)行了選取試驗，結(jié)果表明周邊布點(diǎn)以8 條攝影基線長度為宜，同時測區(qū)內(nèi)部需要數(shù)量合適的控制點(diǎn)。根據(jù)甘肅電廠項目像片控制點(diǎn)選取試驗比較結(jié)果，總結(jié)出如下兩點(diǎn)布點(diǎn)經(jīng)驗：

1)測區(qū)四周布置點(diǎn)數(shù)要相對密集，測區(qū)中間只需布設(shè)合適數(shù)量的控制點(diǎn)，周邊布點(diǎn)其跨度為i=8b(b為攝影基線長度)。

2)各種地形的區(qū)域要布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，如空地、林地、灌木區(qū)、旱地、水田等，控制點(diǎn)應(yīng)能控制測區(qū)地形地貌。

上述布點(diǎn)方案在江西變電站項目中進(jìn)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(tǒng)計如表4 所示。

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

4、結(jié) 語

無人機(jī)低空攝影測量是目前大比例尺地形圖測繪發(fā)展的一個方向，在火力發(fā)電廠、變電站、核電等項目小區(qū)域大比例尺地形圖測繪項目中，應(yīng)用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)是完成電力工程測量任務(wù)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(chǎn)實驗，總結(jié)了應(yīng)用低空攝影測量作業(yè)手段進(jìn)行大比例尺地形圖測量的作業(yè)流程，并對其中的關(guān)鍵過程像片控制點(diǎn)布設(shè)進(jìn)行了研究，得出了像片控制點(diǎn)布設(shè)的一般性原則，為無人機(jī)低空攝影測量在工程中的應(yīng)用提供了有益的參考。但無人機(jī)低空攝影測量平臺和航攝數(shù)碼相機(jī)眾多，在具體的工程實踐中還需要考慮不同平臺和相機(jī)間的差異，通過更多的工程實踐總結(jié)出更普通性的作業(yè)流程和像控點(diǎn)布設(shè)方法，以便無人機(jī)低空攝影測量這一新興測繪技術(shù)在工程測量中得到更好的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張祖勛, 張劍清. 數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社,1997

[2] 張劍清, 潘勵, 王樹根. 攝影測量學(xué)[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社,2006

[3] 李京輝. 提高大比例尺地形圖航測成圖精度的測量方法[J].地理空間信息,2010,8(3):59-61

[4] 王湘文, 于啟升, 王雅鵬. 無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用[J]. 地礦測繪，2013,29(1):34-36

[5] 鄭秀菊. 淺析低空無人機(jī)在測繪中的應(yīng)用[J]. 吉林農(nóng)業(yè),2012(3):247-247

[6] 袁修孝.GPS 輔助空中三角測量原理及應(yīng)用[M]. 北京: 測繪出版社,2001

[7] 孔辰. 關(guān)于無人機(jī)低空攝影測量成圖精度的分析[J]. 大科技,2015,5(14):185-186

來源：《地理空間信息》