楊伯鋼，李 兵，李 雷

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京100038)

無人機技術(shù)在新疆和田大面積地形圖測繪中的應(yīng)用

楊伯鋼，李 兵，李 雷

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京100038)

以新疆和田地區(qū)100 km2地形圖測繪為例，論證無人機技術(shù)應(yīng)用于大面積、困難、復(fù)雜地區(qū)地形圖測繪的可行性，提出無人機技術(shù)應(yīng)用于地形圖測繪的多項技術(shù)關(guān)鍵及其改進方向。

無人機;地形圖測繪;數(shù)字線劃圖;解析空中三角測量

一、引 言

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，近幾年來，無人機遙感平臺以其靈活便捷、成本低廉等獨特的技術(shù)優(yōu)勢已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，尤其在測繪領(lǐng)域更是得到了空前的大發(fā)展，并逐漸成為提升測繪應(yīng)急服務(wù)保障能力的重要手段。作為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，無人機遙感平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于災(zāi)害應(yīng)急處理、國土監(jiān)察、資源開發(fā)等方面。但是，受多種因素的影響，目前國內(nèi)無人機遙感平臺主要以影像地圖的快速獲取為主，很少涉及基本比例尺地形圖測繪任務(wù)，尤其是大面積、復(fù)雜地區(qū)的地形圖測繪。

本文以北京援疆測繪工程為例，對無人機遙感平臺在新疆和田地區(qū)大面積1∶2000比例尺地形圖測繪中的成功應(yīng)用情況進行介紹，就作業(yè)中的技術(shù)關(guān)鍵點進行重點闡述，并提出了無人機遙感平臺在大范圍地形圖測繪方面的技術(shù)改進方向。

二、測區(qū)概況

和田位于新疆維吾爾自治區(qū)的最南端，地勢南高北低，南枕昆侖山和喀喇昆侖山，北部深入塔克拉瑪干沙漠。此次無人機航攝范圍位于和田東南部洛浦縣。洛浦縣由山地、綠洲、沙漠組成，其中，山地占10.2%，平原綠洲占5.8%，沙漠占84%。測區(qū)氣候環(huán)境惡劣，主要體現(xiàn)在氣候多變且不規(guī)律，與平原地區(qū)相比，測區(qū)上空局部區(qū)域內(nèi)以旋風(fēng)為主，風(fēng)向瞬間變化頻繁，為航攝飛行帶來了一定難度。

三、航攝資料獲取

特殊的地理位置，決定了測區(qū)復(fù)雜的氣候環(huán)境，大風(fēng)對無人機飛行姿態(tài)控制是個極大的考驗，直接影響著影像資料的獲取。針對這種大面積、困難、復(fù)雜的測區(qū)情況，筆者選用了所在單位與北京華北光學(xué)儀器有限公司聯(lián)合研制的具有較強穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力的“華鷹”無人機航攝系統(tǒng)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 無人機航攝系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

實際飛行時，不規(guī)則旋風(fēng)對飛行姿態(tài)的影響比預(yù)想更嚴(yán)重，無人機會被瞬間抬升或壓低，橫向大風(fēng)造成無人機翻滾、偏離航向嚴(yán)重。經(jīng)過多次飛行試驗的數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了測區(qū)航飛規(guī)律，找到了最佳飛行窗口、旁向重疊度參數(shù)，對航線規(guī)劃軟件相關(guān)參數(shù)進行重新調(diào)整、設(shè)置，最終獲得了較為滿意的航攝資料。

四、航攝資料情況

洛浦測區(qū)面積約100 km2，其中沙漠、戈壁灘占80%，共38條航線，2500個像對。焦距:28.000 mm;像素大小:0.006 41 mm;像幅:X=36.000 mm，Y= 24.000 mm;攝影比例尺:1∶20 000。洛浦測區(qū)航跡圖如圖1所示。洛浦縣城飛行一個架次共17條航線，洛浦北京工業(yè)開發(fā)區(qū)飛行2個架次共21條航線。

圖1 洛浦測區(qū)航跡圖

五、外控點布設(shè)方案

根據(jù)無人機航攝資料像幅小、像對多的特點，為了保證加密精度，經(jīng)過比較分析，外業(yè)控制點布設(shè)采用了航向每隔8～10條基線布設(shè)1個平高點，旁向每隔兩條航帶布設(shè)1個平高點的區(qū)域網(wǎng)布點方式，在航區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了189個野外控制點，并在加密分區(qū)角點及地物不明顯區(qū)域，均采用了雙控制點布設(shè)方式。外控點布設(shè)方案如圖2所示。

圖2 外控點分布略圖

六、解析空三

綜合考慮矢量數(shù)據(jù)采集作業(yè)效率，洛浦測區(qū)共分為5個加密分區(qū)進行解析空三加密。測區(qū)內(nèi)洛浦北京工業(yè)開發(fā)區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诟瓯跒┗蛏车兀匚稂c極其稀少，若是利用傳統(tǒng)影像匹配算法，基本無法完成連接點自動提取。若是采用手工添加方式，工作量巨大，更是無從下手。本次解析空三連接點提取采用基于獨特的多基線、多重匹配特征的影像自動匹配技術(shù)，并利用PAT-B進行粗差定位及剔除，取得了較好的效果?？杖用苤饕夹g(shù)流程如圖3所示。

圖3 空三加密主要技術(shù)流程

其中，影像預(yù)處理包括影像畸變差改正、影像灰度變換等。解析空三解算結(jié)果如表2所示。

表2 洛浦測區(qū)解析空三成果 m

由表2可知，洛浦測區(qū)解析空三成果精度完全符合項目設(shè)計對解析空三成果的精度要求。

七、地形圖測繪與精度檢測

采用VirtuoZo、JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進行矢量數(shù)據(jù)采集。內(nèi)容包括:資料準(zhǔn)備、內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、數(shù)據(jù)采集、圖形編輯、接邊和成果輸出。

整個工程共投入15名作業(yè)員，利用14天完成了1∶2000數(shù)字線劃圖國家標(biāo)準(zhǔn)分幅122幅圖的矢量數(shù)據(jù)采集工作，提交外業(yè)調(diào)繪成圖。

地形圖成果精度檢測采用野外極坐標(biāo)法，在測區(qū)范圍內(nèi)隨機、均勻抽取了7幅圖進行平面點位精度、高程精度檢測，檢測結(jié)果如表3、表4所示。

從檢測結(jié)果可以看出，成果數(shù)據(jù)平面點位、高程精度完全滿足項目設(shè)計要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

八、無人機航攝系統(tǒng)地形圖測繪改進方向

無人機航攝系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航空攝影手段獲取影像資料的有效補充，具有靈活機動、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等優(yōu)點，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢，要使無人機技術(shù)在滿足應(yīng)急服務(wù)保障能力的前提下，擴大應(yīng)用范圍，增加地形圖測繪覆蓋面積，目前的 無人機航攝系統(tǒng)還應(yīng)在如下幾個方面加以改進。

表3 平面點位精度檢測統(tǒng)計表(成果限差為±1.2 m)

表4 高程精度檢測統(tǒng)計表(成果限差為±0.5 m)

1)在保證靈活機動的前提下，適當(dāng)提高任務(wù)載荷，提高空間姿態(tài)控制能力和參數(shù)記錄能力。

2)加載大像幅/多鏡頭數(shù)碼相機，提高影像幅面。

3)加裝高精度POS系統(tǒng)，減少地面控制點數(shù)量，提高作業(yè)效率。

4)增強無線電通信數(shù)據(jù)傳輸能力，提高作業(yè)半徑，擴大測區(qū)覆蓋面積。

5)提高自主起降的精確性和安全性。

九、結(jié)束語

本文通過新疆和田洛浦地區(qū)地形圖測繪實踐，形成了無人機航攝系統(tǒng)應(yīng)用于大面積1∶2000地形圖測繪的生產(chǎn)工藝，使無人機技術(shù)應(yīng)用于大面積、困難、復(fù)雜地區(qū)地形圖測繪成為可能，在航攝飛行姿態(tài)控制、外控點布設(shè)、空三連接點提取等方面有所創(chuàng)新，對城市測繪院完成基本比例尺地形圖做了有益的嘗試，也為大面積地形圖測繪增添了一種高效、低成本的測繪技術(shù)手段。

目前，雖然無人機航攝系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于影像資料的快速獲取，但在較大面積地形圖測繪方面還處于起步階段。相信在不久的將來，隨著無人機技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)資料后處理技術(shù)的不斷完善，無人機航攝系統(tǒng)將在地形圖測繪方面得到更廣泛的應(yīng)用。

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The UAV Application to Large Area Topographic Mapping

YANG Bogang，LI Bing，LI Lei

0494-0911(2012)08-0021-03

P217

B

2012-06-21

地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目(201135)

楊伯鋼(1960—)，男，陜西西安人，博士，高級工程師，主要從事測繪地理信息技術(shù)應(yīng)用研究工作。