無人機影像在測繪1:500海島地形圖中的應用

　　一、引言

　　我國海島較多，面積在500m2以上的島嶼有6500個以上，其中有人居住的島嶼只有450個左右，大部分是無居民海島，離大陸較遠，無控制點，且海島植被茂密，山體陡峻，地勢複雜，海島礁登島困難[1-2]。傳統的RTK測量、全站儀圖根測量等測量方法無法獲取海島的基礎地理數據。

　　無人機航攝系統具有靈活、高效快捷、高精度、小面積、高現勢性、成本低[3]等特點，且集成化程度高，易培訓，易操作。無人機的出現及快速發展，滿足了國民經濟發展對海島大比例尺地形圖的需要，對海洋測繪部門實現海岸帶、海島礁地形自主按需測繪具有重要意義[4]。

　　目前的無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）[5-6]航攝系統主要是由地面無線電遙控或者機載電腦程式控制的搭載高解析度數字遙感設備（如高解析度CCD數位相機、輕型光學相機、近紅外相機等）、GPS、自動測姿測速等設備組成的無人承載的飛行器[7-8]。無人機航攝系統包括硬體系統和軟體系統。硬體系統包括飛行設備、飛行控制系統、傳感器系統、地面操作平臺及監控系統等[9]，其中傳感器系統是外業測量的關鍵，傳感器解析度的高低直接決定了測量的精度和成圖比例尺；軟體系統包括航線設計和後期影像處理軟體等，其中後期影像處理軟體是內業精度控制和成圖的關鍵。

　　二、無人機航攝地形圖測繪生產技術流程

　　無人機航攝地形圖的生成技術流程包括資料收集、室內設計、外業測量、室內影像處理、外業補測等5個步驟[10-11]，具體見圖1。

　　圖1 生產技術流程圖

　　[12]

　　確定工作區後，首先收集項目區已有的地形地貌測繪成果、衛星或航空遙感影像、自然地理狀況。海島一般離陸地較遠，需坐船登島，增加了作業難度、成本，因此進行海島無人機航飛還需要收集海島試飛前後三天的天氣與潮位資料以及交通、船運信息。根據已有的資料和任務要求，設計航線重疊度、航高、飛行速度、飛行時間、飛機起降位置、控制點採集密度及數量等。

　　然後，在天氣晴朗、可見度高、風速較小（一般海島上的風力比鄰近大陸風力大1級）的天氣下開展無人機航飛測量。在航飛的同時，架設RTK測量系統，根據現場海島情況，尋找明顯地物點，測量控制點。考慮到與陸地航飛不同，海島航飛需要租船，往返海島與陸地非常不便，且每日的租船費用往往較高，因此航飛結束後，需及時整理航飛影像，檢查航飛區域是否完全覆蓋項目工作區。如無完全覆蓋，及時制訂補測計劃，並開展未覆蓋區的補測，以節約經費成本。

　　外業航飛結束後，回到室內處理無人機航飛影像數據。使用後期影像處理軟體根據外業採集影像和測量數據以及相機的基本參數，進行內定向、相對定向、絕對定向，建立平差網、空三平差等處理，生成數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DLG)以及地形圖。

　　三、應用實例

　　⒈ 項目概況

　　本次航飛的區域是虎平島，位於遼寧省大連市，距離陸地12km，面積約為1km2，東西長1.2km，南北長0.8km，島上最高點相對高度低於50m，坡度大於25°。項目區航飛前，經調查該區域屬於民航飛行區，經協調：飛行當天下午15:00～17:00可進行無人機飛行，且飛行高度需低於1000m。按照精度、比例尺及相關部門等的要求：本次航飛高度300m，航速85km/h，航向重疊度和旁向重疊度均為80%。航飛當天，租船登島，海島上風力4級，能見度高，登島後尋找適合的起飛與降落場地，並測試無人機航飛前的性能，共用1小時左右，航飛一個航次，共用30分鐘。飛行共獲取474張原始無人機圖像，同時測量5個控制點用於精度檢查。經檢查飛行區域完全覆蓋虎平島後，坐船回到陸地。

　　圖2 虎平島航線圖

　　⒉ 無人機設備

　　本次選擇進行海島航飛的無人機是美國生產的Trimble UX5 HP。該無人機是一套易用、全自動、高精度的地面解析度最高可達到1cm。無人機集成了GPS動態後處理差分PPK（Post-Processing Kinematic）技術，可在絕對系統中建立非常準確的圖像位置，消除地面控制的必要性。因此，可在植被茂密、島體峻峭的海島上減少地面控制測量時間，並保證無人機航飛的高精度性。

　　Trimble UX5 HP是固定翼無人機，重量2.9kg，航飛高度在75m～750m，續航力40min，巡航最大速度85km/h，鏡頭35mm（航飛高度與精度、範圍的關係見表1），採用機腹著陸，著陸範圍50m×50m。可見該無人機較輕，對著陸範圍要求不高，非常適合在遠離大陸、較小的海島進行航飛。

　　表1 無人機航飛高度與精度、範圍的關係

　　無人機航飛影像數據處理軟體採用Pix4Dmapper。該軟體可方便地把原始航空影像變為任何專業的GIS和RS軟體都可以讀取的DOM和DEM數據。通過提供ERDAS、SocetSet和Inpho可讀取的輸出文件，能夠與攝影測量軟體進行無縫集成。

　　⒊ 數據處理

　　數據預處理採用Trimble Business Center，影像處理採用Pix4Dmapper。

　　產品處理流程：

　　①導出無人機遙感像片，保存為.JPG格式；

　　②導出無人機航飛軌跡數據；

　　②打開Trimble Business Center，創建新項目，選擇編輯坐標系；

　　④導入無人機航飛軌跡數據、基站採集的靜態數據，並編輯基站坐標、天線類型、儀器高等；

　　⑤對採集的靜態數據進行基線處理；

　　⑥輸出POS數據，保存為.CSV格式，並對數據進行相關編輯；

　　⑦打開Pix4Dmapper，創建新項目，編輯相關的相機參數，導入像片、POS數據；

　　⑧自動提取地面地物點雲、數字地表模型（DSM）和DOM。

　　建立影像金字塔、空三加密，提取地物點雲、DSM、DOM，1km2的海島全部處理下來需要10h左右。

　　⒋ 精度分析

　　經過數據處理，得到虎平島1:500的數字地表模型DSM，見圖3。

　　圖3 虎平島數字地表模型DSM

　　根據同步測量獲取的5個檢查點對無人機正射圖像和DSM三維高程數據進行精度驗證。結果見表2。

　　表2 處理結果精度驗證單位：m

　　依據《低空數字航空攝影測量內業規範》（CH/Z 3003-2010）、《基礎地理信息數字成果1:500 1:1000 1:2000數字高程模型》（CH/T 9008.2-2010）的相關要求（表3、表4），1:500的DSM高山地地物點平面位置中誤差不大於0.8m，高程中誤差不大於0.7m。由表2可知，虎平島無人機航飛數據平面位置中誤差最大為0.098m，高程中誤差最大為0.193m，均遠小於規範要求誤差。

　　表3 平面位置中誤差單位：m

　　表4 高程中誤差單位：m

　　四、結束語

　　本文討論了無人機在遠離大陸的海島大比例尺地形圖測繪中的應用，通過在虎平島進行實地航飛採集數據，對無人機航飛的外業數據採集、內業數據處理、正射影像輸出和精度分析等方面進行了詳細的敘述，由此得出如下結論。

　　①無人機航飛採集數據，水平位置和高程中誤差均小於0.2m，滿足《低空數字航空攝影測量內業規範》（CH/Z 3003-2010）、《基礎地理信息數字成果1:500 1:1000 1:2000數字高程模型》（CH/T 9008.2-2010）中對1:500數字地表模型測繪的要求。

　　②無人機航攝系統相較於傳統測量具有高效率、方便快捷的優點，大大縮短了外業作業時間，節省了測繪成本，內業數據處理自動化程度高、精度高。

　　③無人機航攝系統受天氣影響較大，對無人機起降場地要求較嚴格，因此具有一定的局限性。

　　海島地理位置的特殊性，給傳統的測量儀器、方法帶來巨大的挑戰，同時也給無人機航攝系統、三維雷射掃描儀等新型的測量儀器和方法帶來了空前的機遇。

　　參考文獻：

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　　[12]崔書珍,周金國.無人機航攝系統在1:1000地形圖測繪中的應用[J].地礦測繪,2014,30(4):29-31.

　　【作者簡介】第一作者袁蕾，1986年出生，男，河南駐馬店人，國家海洋環境監測中心，碩士研究生，工程師，主要從事海洋測繪及生態遙感研究；本文為基金項目，海洋公益性行業科研專項（201505012）；文章來自《海洋測繪》（2018年第1期），若其他公眾平臺轉載，請備註論文作者，並說明文章來源，版權歸《海洋測繪》所有。