1、引言

城市基本地形圖是進行城市建設、規(guī)劃管理、國土資源管理等最基本的基礎地理信息資料。其在城市規(guī)劃、建設、交通、管理、社會與公眾服務以及可持續(xù)發(fā)展研究等眾多領域的作用日益重要，對基本地形圖的準確性、現(xiàn)勢性和覆蓋率的要求也越來越高。

隨著數(shù)字化、智慧化城市建設的快速發(fā)展，城市基本地形圖如何實現(xiàn)快速有效、實時更新，滿足城市規(guī)劃建設需要，是目前城市測繪工作亟待解決的難題之一。

無人機低空遙感技術是航空遙感領域一個新的發(fā)展方向，具有低成本、方便快捷、靈活機動、高效率、高分辨率等特點，并已逐步應用于大比例尺地形圖航空攝影測量領域。憑借自身的技術優(yōu)勢，可快速、高效獲取高精度、高分辨率的影像數(shù)據(jù)，成為傳統(tǒng)航空攝影測量的有效補充手段。

2、項目簡介

2. 1項目概況

為滿足廣州市規(guī)劃建設需要，實現(xiàn)廣州市基礎地形圖全覆蓋，并建立廣州市基礎地理信息數(shù)據(jù)庫，更好地為廣州市十三五規(guī)劃的實施提供基礎測繪保障，廣州市開展了2016 年度城市基本地形圖更新工作（ 1 ∶ 500數(shù)字化地形圖測量及數(shù)據(jù)入庫） ，項目測量面積121.4 km2。本項目生產(chǎn)實踐測區(qū)選擇為赤泥C 作業(yè)區(qū)，航測面積3 km2，如圖1 所示。

2. 2低空無人機平臺

本項目采用TrimbleUX5HP 無人機（ 如圖2所示） ，該系統(tǒng)具有操作簡便、全自動、精度高等特性，系統(tǒng)集成高性能Trimble GNSS 接收機和a7R 全畫幅相機能夠采集高分辨率的影像數(shù)據(jù)。后處理動態(tài)（ PPK）GNSS 技術可在絕對系統(tǒng)中建立非常準確的圖像位置，有效減少地面控制點，獲得高精度成果數(shù)據(jù)。

3、工作流程

無人機航測制作大比例尺地形圖的主要工作流程如圖3 所示。

3. 1作業(yè)準備工作

主要準備工作包括： 資料準備、設備準備、相機檢測等。

（ 1）收集測區(qū)基礎資料，如基礎地形圖、衛(wèi)星影像資料、控制成果等，了解測區(qū)地理位置及情況。

（ 2）相機檢校，獲取準確的相機內方位元素和畸變參數(shù)。

（ 3）飛行平臺設備進行檢校與常規(guī)檢查確保航攝平臺各設備主要技術參數(shù)符合規(guī)范要求。

（ 4）現(xiàn)場踏勘選擇合適的起降場地。

3. 2航攝作業(yè)

3.2.1航線設計

UX5HP飛行航線設計利用Aerial Imaging 軟件完成; 為滿足測圖精度要求，提高飛行效率，本次航線設計采用索尼a7R II 相機35 mm鏡頭，航向重疊度設計為80%，旁向重疊度設計為80%，地面分辨率設計為5 cm，航高設計375 m，如圖4 所示。

3.2.2控制點布設及測量

本項目航測采用地面架設GNSS 基準站，利用PPK 后處理動態(tài)差分技術提高定位解算精度。控制點布設按照相關規(guī)范要求，在測區(qū)范圍內均勻布設地面控制點，利用廣州市連續(xù)運行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務系統(tǒng)（ GZCORS） 測量像控制點坐標，通過廣州市似大地水準面精化成果轉換為廣州市坐標系坐標，共布設及測量控制點40 個，如圖5 所示。

3.2.3影像獲取

影像獲取主要包括起飛前檢查、無人機航飛、現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理、檢查等。

（ 1）起飛前檢查

為確保無人機航攝安全，飛機通電后需要進行自檢及嚴格的安全檢查，具體如下：

gBox 狀態(tài)檢查，線纜連接檢查、GNSS 天線視野開闊、gBox 正常啟動、鎖定衛(wèi)星檢查。

相機檢查，SD 檢查、相機設置檢查、設置快門速度、清潔相機鏡頭和濾鏡、相機熱插拔線路連接、尼龍扣帶固定、相機觸發(fā)器檢查、快門反饋檢查。

跟蹤器檢查，確保跟蹤器打開、接收器接收信號檢查。

升降翼檢查，外弦升降翼與內弦升降翼水平檢查、升降翼反應檢查。

發(fā)射架檢查，發(fā)射架裝配、安全插銷插入發(fā)射架、彈力繩力度檢查。

空速反應檢查，確?？账俜磻?。

飛機定位檢查，飛機裝配到發(fā)射架上，定位螺旋槳位置、飛機位置正確。完成起飛前檢查后，拆除安全插銷，啟用無人機系統(tǒng)，等待系統(tǒng)正常啟動后，即可發(fā)射無人機。

（ 2）無人機航飛

無人機起飛后，按照規(guī)劃路線升空進行影像數(shù)據(jù)采集，地面站開始對飛機工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，技術員應時刻關注無人機的狀態(tài)、風速、飛機的高度及速度等指標，如發(fā)現(xiàn)異常應立刻做出判斷和處理，如正常即按預定線路采集完成后返航降落。項目共航飛9 架次，采集影像數(shù)據(jù)2 600張。

（ 3）數(shù)據(jù)整理及檢查

現(xiàn)場對航飛數(shù)據(jù)進行整理，核查拍攝照片數(shù)量與飛行軌跡參數(shù)是否一致，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象; 檢查照片質量，是否有模糊不清等情況; 現(xiàn)場對航飛成果質量的進行全面、快速檢查、計算航向重疊度、旁向重疊度、生成檢查結果報表等。檢查完成后如存在質量問題則需重新補攝飛行，若無質量問題，則本次航攝完成，如圖6 所示。

3. 3數(shù)據(jù)處理與DOM 制作

3.3.1空三加密

數(shù)據(jù)預處理主要包括原片檢查、POS 數(shù)據(jù)整理、控制點數(shù)據(jù)整理等。預處理完成后利用INPHO 軟件進行空三加密處理?？杖用苓^程中，在立體像對的點位上選刺控制點，通過控制點點位調整及平差優(yōu)化，最終從40 個控制點位中選擇了28 個點作為控制點，其余點位作為檢查點，同時為了增加模型連接的強度，避免由于某一個控制點的誤差過大引發(fā)全局性的負面影像，在立體像片上增加一些模型連接點tie point 參與空三平差。經(jīng)過反復的點位調整、優(yōu)化，最終達到平面0.07 m，高程0.06 m的絕對定向精度，如圖7 所示。

3.3.2 DOM制作

根據(jù)上述空三加密的成果，利用DEM 數(shù)據(jù)對影像進行數(shù)字微分糾正和影像重采樣，生成單片的數(shù)字正射影像DOM，由于無人機飛行高度較低，高層地物同名點視差較大，按照相機中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，往往會出現(xiàn)接縫和建筑物邊緣扭曲的現(xiàn)象，所以，需要對正射影像的鑲嵌線進行人工編輯，鑲嵌線的選取及

修改盡可能避免穿過大型建筑物，選擇紋理不豐富的位置，遠離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實體的邊緣等。同時，對于不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致，如圖8 所示。

3.3.3 DLG立體采編

本項目1 ∶ 500DLG 制作通過航天遠景MapMatrix平臺與清華山維EPS 平臺的定制與對接，利用EPS平臺進行二次開發(fā)，使立體測圖與得到“圖屬合一”的GIS 數(shù)據(jù)的工作目的同時達成，相比國內目前絕大多數(shù)的DLG 生產(chǎn)流程更為高效、先進。

（ 1）數(shù)據(jù)準備，準備INPHO 空三平差工程文件及無人機原始影像數(shù)據(jù)，將必要的文件放到同一的文件夾的同級目錄下，如影像ID、外方位元素文件，加密點文件，像點文件等，保持文件前綴名稱一致。

（ 2）新建工程，打開EPS 基礎測繪平臺，選擇航測采編模塊，建立廣州市基礎地理模板-500 工程文件。

（ 3）模型恢復，選擇立體測圖菜單，加載立體像對，恢復立體模型。

（ 4）立體采編，掛接外接輸入設備，設置工作區(qū)，開始進行數(shù)據(jù)采集工作。

按照立體模型實際能觀測到的原則進行全要素采集，盡可能對可觀測到的地物按照“內業(yè)定位、外業(yè)定性”的原則進行數(shù)字化跟蹤，外業(yè)調繪修編等工作，共編制1 ∶ 500DLG 成果216 幅，如圖9 所示。

4數(shù)據(jù)處理關鍵技術研究

4. 1建筑物投影差改正

本項目通過前期的研究成果，采用一種聯(lián)合影像方位元素和物方三維點云數(shù)據(jù)的方法，利用投影中心、DSM、DEM 上形成的同名點共線關系，由DSM 物方點利用外方位元素計算出的DEM 像方點之間的高差所構造出的數(shù)字高程模型，形成跟隨影像點位同步變化的投影高差模型，此處稱它為影像同步變化的投影數(shù)字差模型（ image elevation synchronous model， IESM） ，通過該模型采用共線方程解算房屋屋角的三維坐標，從而實現(xiàn)了建筑物的半自動投影差改正。由于測區(qū)建筑主要以低層居民房為主，利用投影差改正模型取得良好效果，如圖10 所示。

4. 2 EPS2012集成二次開發(fā)

本項目以廣州市規(guī)劃基礎信息化測繪平臺EPS2012 為基礎，采用VC++6. 0 開發(fā)平臺及VBScript 腳本語言進行功能專業(yè)二次開發(fā)，實現(xiàn)了應用程序層以及全局數(shù)學函數(shù)庫與控件庫的動態(tài)鏈接SDL（ Sunway dynamic linked library） ，快速搭建了基于EPS2012航測采編平臺，實現(xiàn)運行時動態(tài)加載或輸入命令加載，如圖11 所示。新開發(fā)的EPS 測圖功能集成模塊化管理，通過菜單工具條加載功能，延續(xù)了EPS 原有功能界面與操作習慣。同時對數(shù)據(jù)模板進行標準化封裝，實現(xiàn)1 ∶ 500～1 ∶ 2000數(shù)據(jù)標準在制圖顯示過程中強制標準化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、制圖輸出、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)應用四者一致性，有效保證數(shù)據(jù)無異化。

5、項目成果與精度分析

基于無人機航攝數(shù)據(jù)，經(jīng)上述流程化的處理，得到測區(qū)DOM、DEM、DLG 等，為了保證成果精度，對本次航攝測繪的地形圖成果精度進行外業(yè)檢測，采用GZCORS_RTK 快速獲取外業(yè)檢查點的三維坐標數(shù)據(jù)，整個測區(qū)內施測平面坐標及高程檢測點122 個、距離檢測點83個，利用中誤差計算公式計算出各個檢查點的中誤差，依據(jù)計算結果可得（ 如表1 所示） ，本次航攝繪制的1 ∶ 500地形圖精度滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》的精度要求?？勺鳛榛A測繪成果提供使用。

6、結語

本文無人機航攝測繪大比例尺地形圖生產(chǎn)應用，基于地形結構較簡單、地勢比較平坦地區(qū)，經(jīng)實地檢測，成果滿足大比例尺地形圖精度要求，作業(yè)效率也較傳統(tǒng)測量模式有大幅提高，有效提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，加快了內、外業(yè)數(shù)據(jù)成產(chǎn)的一體化作業(yè)流程。滿足了項目建設快速完成測繪任務的要求，為大比例尺地形圖快速測繪提供了新的技術手段。

隨著數(shù)字城市、智慧城市建設的全面發(fā)展，城市規(guī)劃及建設對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。低空無人機航攝系統(tǒng)，憑借低空作業(yè)、機動靈活、高分辨率、高精度、高效率、低成本等特點，已廣泛應用于城市規(guī)劃、低空航空攝影、應急測繪、環(huán)保監(jiān)測、工程勘察等領域。隨著無人機航攝技術的不斷成熟，續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、小像幅等缺點也將逐步得到改善，使其有更廣闊的應用前景和優(yōu)勢。