摘要
地形測量是一項復雜而且系統化的測量作業任務，航空攝影測量已經占據地形測量的主戰場，然而傳統的航攝系統不僅成本高對天氣、空管調度等作業條件要求苛刻，而且對作業人員技術要求也非常高，作業周期無法保證，制約著航空攝影測量的快速發展與普及。無人機航攝系統作為傳統航攝系統的有益補充，以其機動靈活、高效快速、節約人力成本等優勢在航攝領域迅速得到廣泛應用。本文以天狼星免像控無人機航攝系統在內蒙古某露天礦地形測量項目為例，在無需地面控制點的情況下完成DOM、DEM、點云數據的生產任務，通過精度分析實現了大比例尺地形圖測制的精度要求，為地形復雜，工作人員無法進入實地測量的地形測量工程項目提供了很好的借鑒。
引言
近年來，隨著我國經濟的高速發展,地形測繪手段已由純人工采集點位數據發展為航空攝影來獲取和更新地形圖以及地理信息數據。傳統航攝方式由于成本高、對天氣、空管調度難等作業條件限制，不適合小范圍地形圖數據采集與更新作業，然而基于無人機平臺的航攝系統顯示出靈活機動、高效快捷、響應能力強、作業成本低的特有優勢，特別適用于小區域和應急數據獲取。因此，從地形測繪工作質量與效率提升的層面考慮，本文以天狼星航攝系統在內蒙某礦區地形測量工程的應用出發，在無需地面像控點的情況下完成DOM、DEM、點云數據的生產任務，并進行精度分析，其實際測量精度滿足大比例尺礦區等復雜地形圖精度要求。
1天狼星無人機航攝系統技術優勢
1.1內置高頻RTK接收模塊，實現免像控航攝
在傳統航攝作業模式下，布設地面圖像控制點是一項必不可少的工序，不僅占用著項目的人力物力，同時占用著項目至少30%的工期，如果在無人區，沒有明顯特征點的方位物或者地形復雜的地區，像控就成了制約航攝的瓶頸，在當前地形圖測繪項目中經常遇到工作人員進入困難甚至無法人工進入作業的情況，這將大大增加項目開支并延長項目工期。在傳統航攝由于云層遮擋等原因造成的空白區，要花費大量的時間、人力物力進行采集數據，這樣往往是要損失測繪精度的代價才能完成。
天狼星無人機航攝系統采用地面基站模式，機身上搭載著100HZ刷新率的 GPS RTK裝備，在航飛的同時即可實時獲取高精度無人機定位信息，該定位信息不僅用于無人機自動導航與飛行姿態調整，而且能保證在航拍的同時獲取高精度POS信息。具有RTK固定解精度的POS信息使得每張照片攝影瞬間攝影中心、照片、地面(地物)之間具備高精度的方位元素信息，從而實現免像控狀態下平面精度、高程精度能夠滿足大比例尺地形測量的要求。
實驗區航拍曝光點位分布圖/圖 來源網絡
1.2MAVinci Desktop制定飛行計劃實現智能化航飛計劃管理
MAVinci Desktop可以提前根據測區范圍制定飛行計劃，同時根據測區需要由作業者臨時指定目標區域和指定期望的GSD進行創建飛行計劃。作業者可以根據實際需要通過點選范圍快速制作飛行計劃、模擬飛行、優化調整等操作。在地形高低起伏較大的情況下，無人機可以根據地形起伏自適應改變飛行高度，既能保證無人機飛行安全也能保證影像重疊度，確保影像獲取的質量。
MAVinci Desktop采用高集成化一鍵設計飛行計劃，只要輸入想要的作業精度值(GSD)，導入作業范圍文件便可以實現航線自動劃分，飛行高度自適應，自動設定飛行帶寬及重疊率等技術參數，大大提高了工作效率。
點選范圍點快速實現模擬飛行計劃/圖 來源網絡
1.3AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測量與建模軟件實現航拍成果快速輸出
天狼星無人機航攝系統采用的AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測量與建模軟件進行空三加密。AgiSoft PhotoScan Pro允許生產高分辨率正射影像和極其精細的DEM/紋理多邊形模型，同時無需設置初始值，無需相機校準，完全自動化的操作流程可以讓一個非專業人員在桌面電腦上處理數以千計的航空像片并生產專業級的航攝測量數據。AgiSoft PhotoScan Pro數據支持幾乎所有的市場上面向無人機數據處理的解決方案與軟件程序。
內蒙礦區試驗區實現4架次共計3小時飛行，有效作業面積4.6km2，1460張圖片，12小時全自動空三加密、一鍵生成DOM、DEM、點云數據，2小時自動提取點云高程點并生成等高線。整個項目一個作業小組3人在3天時間內輕松完成。
2.工程實施
2.1工程概況及航飛參數設定
項目要求：獲取高精度地表數字高程模型用于礦區土石方量計算與開挖設計;工程概況：測區位于內蒙古巴彥淖爾市境內，地理坐標為東經106°09′-106°10′，北緯40°37′-40°39′內;測區面積4.6km2;平均海拔1650m，最低海拔1580m，最高處1720m。該測區地形起伏較大，崎嶇不平，地表裸露無高大植被覆蓋，屬于典型的戈壁地貌，采用常規無人機航測方式缺少明顯特征地物用于像控點布設或采集，同時高程精度也難于保證，因此選擇天狼星免像控無人機航攝作業方案。
實地工作環境為最高溫度4℃，氣溫較低，為保證無人機自身安全，續航時間設定為35分鐘，在MAVinci Desktop飛行計劃軟件中自動劃分4個飛行時段，選擇兩處起降場地。其他參數設定為GSD地面采樣間隔8cm，自適應地形起伏模式，相對飛行高度340m;航向重疊度80%，旁向重疊度65%。
2.2無人機航攝系統測制地形圖工作流程
無人機航攝復雜地形(內蒙測區)工作流程圖/圖 來源網絡
本工程采用的航線設計、航飛和影像快速拼接都在MAVinci Desktop程序下完成，AgiSoft PhotoScan Pro程序實現了快速空三直接生產DOM、DEM及點云數據，然后將DEM數據導入Global Mapper軟件，利用3D矢量創建高程網格，自動生成1m基本等高距的等高線地貌數據;部分地形矢量數據通過EPS虛擬測圖軟件進行采集獲取。
2.3檢測靶標及檢測點布設與測量
由于測區內沒有明顯特征地物點用于精度檢測，航測開始前在測區范圍內噴繪多處30cm*30cm十字檢測靶標，以其中心作為檢測點。點位布設情況：設立在石質地表檢測點6個，土質地表檢測點11個，草皮檢測點3個，另有簡易房房角檢測點1個，共計21個點位，除房角1點位和草皮3點位僅作為平面精度檢測外，其余17點位可作平面、高程精度檢測。
使用礦區內D級GPS控制網的控制點作為控制基礎，利用RTK技術，在固定解狀態下進行測量，為了保證檢測點自身精度，每個檢測點進行三次測量，取差值小的坐標值的平均值作為最終成果。
3.礦區地形測量精度分析
在當前無人機航攝技術水平上，主流的航攝系統平面精度比較容易滿足限差要求，本文不再比較，僅對高程精度進行重點檢驗。根據規范規定，平坦地區的高程注記點對于鄰近圖根控制點的高程中誤差不得超過7cm。一般高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不得超過15cm。其余地區按等高線內插點相對于鄰近圖根點的高程中誤差來衡量，按地形類別劃分不得超過表1的規定。
表1 不同地形類別高程中誤差標準/圖 來源網絡
DEM平面檢測點點位精度最小值0.021m，最大值0.362m，平均值0.135m，檢測點高程中誤差0.162m，允許中誤差0.25m。經分析，無人機航攝精度可以滿足礦區1:500復雜地形圖測量精度要求。
Global Mapper軟件提取DEM地貌數據/圖 來源網絡
4. 結束語
本次無人機航攝案例展示出復雜地形條件測繪大比例尺地形圖的優勢，充分說明小型無人機已經成為一種成熟的新型低空航攝體系，可作為中高空航攝的有效補充，在工程測量領域完成高精度地形圖測制工作。天狼星小型無人機航攝系統配備的高集成化得軟件處理程序實現了地形圖作業流程化，模塊化，大大節省了外業數據坐標采集工作量，縮短了工期;同時，“簡約式”的工作流程，為測制單位節省了員工培訓成本，簡單培訓就可以完成專業人員關于地形圖外業數據采集的工作。已經成為全野外數字化傳統測量手段的又一次革新，特別是在人工無法到達或者難于測繪的復雜地形區域，高密度的點云數據和高精度數字高程模型為土石方測算等提供了更加精細準確的計量手段。高精度智能無人機的應用不僅突破了傳統航測理論束縛，顛覆了傳統測量概念，而且超凡脫俗的作業模式、所見即所得的作業效果更是引起測繪行業的重大變革，實現了有限測量數據到海量數據的獲取，可以在眾多高精度測繪領域拓展應用。為地形復雜，工作人員無法進入實地測量的地形測量工程項目提供了很好的借鑒。
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