智能测绘无人机1：1000地形图测绘的实践研究
徐奎
【摘 要】基于卫星遥感及传统航空遥感的地形测绘具有一定的局限性，为了满足大比例尺1：1000的测绘需求，提升测绘精度和质量，提倡使用智能测绘无人机来实现自动化、智能化的测绘作业。论文探讨了智能无人机测绘的重要性及价值，并在明确无人机测绘的工作流程的前提下，分别针对平原及山区丘陵地区的无人机1：1000地形图测绘进行了实践研究。
【Abstract】 As satellite remote sensing and traditional aerial remote sensing mapping all have certain limitations， in order to meet the demand of surveying and mapping of 1：1000 large scale， to enhance the accuracy and quality， we advocate the use of intelligent mapping UAV to achieve the automation and intelligence of surveying and mapping work. This paper discusses the importance and value of smart UAV mapping， and on the premise of UAV mapping workflow， respectively do the practice research of surveying and mapping of 1：1000 topomap by UAV in plain and hilly area.
【关键词】智能测绘无人机；1：1000地形图测绘；航空摄影
【Keywords】intelligent surveying and mapping UAV； surveying and mapping of 1：1000 topomap； aerial photography
【中图分类号】P231 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）11-0172-02
1 引言
随着测绘需求效率的提升及覆盖面的拓展，越来越多的现代化技术手段投入到地形测绘实践中。传统的地形测绘以人力为主要依托，测绘周期长，成本高，对基于地形测绘的地理研究、城市规划等工作的实现带来了一定的难度。现阶段智能测绘无人机的實践运用，有效改善了这一问题。
2 智能无人机测绘的重要性及价值
为了满足多空间、多地理条件下的地图测绘工作，相继投入了卫星遥感、大飞机遥感等航空智能测绘技术。例如卫星遥感是以人造卫星为遥感平台，通过远距离感测地球物体辐射、反射等光谱效应，经过信息校正、变换、分解等光学处理技术形成数字化图形[1]。但是受空间和布点的限制，灵活性较低。智能无人机测绘技术的投入有效弥补了这一缺陷。以最少的人力支出，针对大飞机遥感无法深入的空间进行地图测绘。在智能无人机中集成了数码照相技术、无线数字通讯技术以及智能自动化控制技术的现代信息化技术，在促进技术自我适应、可持续发展的同时，促进了现代化测绘工作的完善和发展，能够对测绘成果的质量进行良好提高。由于智能无人机地形图测绘具有重要意义，所以我们就要对智能无人机的设计和实际测绘进行良好分析，从而保证智能无人机的良好应用能够满足实际的测绘要求。
3 智能无人机测绘的基本工作流程
智能测绘无人机与传统大飞机遥感测绘同样使用航空摄影技术来进行测绘工作。因此智能无人机测绘的基本工作流程与传统遥感摄影测绘保持一致。在进行测绘工作前，需要针对测绘地区进行基本的踏查和资料收集，确定作业区域，从而为设定无人机的测量范围等参数提供基础依据，避免因为外部作业条件问题，影响测绘成果质量。要求做好完善的智能无人机测绘航痕图设计[2]，指导无人机完成后续航空摄影流程，接下来按照外业像控点布设、测量→空三加密与检核→航测内业描图→地形图编辑和检查的步骤执行测绘作业。在此工作中，地图测绘的外业作业主要通过智能无人机按照1：1000的大比例作业要求自动化完成，并将采集的数据通过内业作业人员结合现代化计算机数据分析技术进行核查和验证。
4 智能测绘无人机1：1000地形图测绘的实证分析
4.1 智能测绘无人机1：1000地形图测绘的核心技术优化
智能无人机的应用虽然免除了传统测绘作业条件下的缺点，但是其航空摄影过程中，仍然伴有影像重叠度高、像幅小等缺点，制约智能测绘无人机在大比例地图测绘中的应用，因此为了解决这一问题，需要进行两方面的准备。一是外业作业时，像控点的布设依据待测区的地类划分等权区域，并根据区域大小布设7±2个目标点进行像点采集。借助MAP-AT软件的DEM的自生匹配功能，实现影响的自动化拼接。并结合地貌、地形等地学参数，根据等权区域圈定符合条件的像控点的目标点，截取点位附近的放大图打印以便进行选刺、联测[3]。二是通过map matrix最优版本实现无缝自动切换模型，从而达到立体测绘的目标要求。在对这两方面内容进行调整后，能够有效提升无人机的测绘效果。
4.2 测区概况
为了充分研究智能测绘无人机在1：1000大比例地形图测绘的实践效果，本文分别选择平原地区及山区丘陵地带作为实测区域进行操作。根据测绘需求，对测绘地区进行测前踏查，其基本情况如下：①平原测区，位于长江中下游，属于亚热带季风气候，雨量丰沛，年均日照1700小时以上，含堆积平原及滩涂平原两种地貌，塘漾棋布，平均海拔4～7m。测区内含多条国道、省道、铁路以及河流越境，属于干支相连、水陆联动的运输网构造结构。②山区丘陵测区，地处暖温带干旱气候区，季节分明，日照丰盈，年均日照量近2500小时。测区外部环有山地，中部区域以丘陵为主，地势由东向西部发生倾斜，是农业发展聚集区，境内平均海拔500米，最高海拔为900米，以国道、县道、乡间公路等为主要路网。
4.3 无人机选型及比例尺确定
根据无人机测绘的功能需求，主要考量航空摄影相机及位移补偿条件进行选型。因此在本试验中选择大地鹰D—Ⅲ型测绘无人机进行试验。无人机搭载的航空摄影数码相机为配有16mm定焦镜头的索尼卡片机，像素可达1400万，单位像素尺为5.1μm。结合《低空数字航空摄影规范》（CH/Z 3005-2010）中对1∶1000比例尺地形图测绘的要求以及瞬间相机位移产生成像噪点的固定[4]，要求航拍影像的分辨率在10cm±2cm之间，且非成像噪点高于2/3像素尺寸。那么要想完成全自动无漏洞航空摄影，在80km/h的航拍速度下，其曝光瞬间相机位移产生的成像噪点不应大于40mm。那么只要保持快门速度不大于1/600秒的情况下，就可以满足地形图测绘需求。
4.4 智能測绘无人机实际作业流程
采取真彩色成像方式，根据无人机测绘的基本工作流程，基于事前踏查结果，分别对两测区设定具体的航痕图，其中测区①由南向北共设置4条长度为1.5km的航线，总测航里程为6.9km，测区②按照由南向北的方式设置4条长度不等的航线，总测航里程为16.3km。两地形图测绘区分别获得133张及230张航拍图片。按照航痕图完成航空摄影后，按照外业像控点布设、测量→空三加密与检核→航测内业描图→地形图编辑和检查的步骤执行测绘作业。根据测区①②的地类等级划分等权区域，平原地区的等权区域划分难度远低于山区丘陵地区，且可在少量像控点的情况下达到地形图测绘目标，平原地区共选取像控点14个，山区丘陵地区共选取像控点25个。所有的像控点均采用高性能全站仪根据测量规范进行测量。另外，为了检测后期的成图精度及空三加密作业，为每幅地形图测绘设置了15～20个不等的检测点，采用GPS实时动态定位技术来完成。根据内页描图需要及相关作业规范，本试验采用match-AT空三软件来进行自由网的构建，并使用PATM软件来对区域网的平差进行优化处置，根据实测的影像分布情况空三区域为加密区域网，并以自动和手动相结合的方式，完成整个加密作业，达到1：1000的大比例尺数据采集标准。为了实现立体绘图，将加密结束后的数据导入Map Matrix软件进行多源数据处理，完成描图。对完成的描图，分别针对测区的工作量、检查数量、比例，点位平面精度，地物间距精度，点位高程精度（点/边数、粗差率、中误差）进行核查和校准。
5 结语
综上所述，智能测绘无人机能够有效弥补卫星遥感、传统大飞机遥感测绘灵活度低的缺陷，并能够在搭载高像素数码相机条件下，满足大比例尺1：1000的多地形条件下的智能地图测绘。本文所选用的机型在保持低于1/600秒的快门速率下，可以获得稳定的测绘地形图，且在match-AT以及Map Matrix的软件配合下，实现高精度，低人工强度的测绘工作，在应急测绘、国土资源监测等领域具有广泛的应用意义。
【参考文献】
【1】王鹏. 浅析无人机1：1000地形图测绘中的应用及实践[J]. 华北国土资源，2013（06）：83-85.
【2】郭伟. 无人机航空测量在1：1000地形图的应用[J]. 工程技术（全文版）， 2016（7）：00273-00274.
【3】吕立蕾. 无人机航摄技术在大比例尺地形图测绘中的应用研究[J]. 测绘与空间地理信息， 2016， 39（2）：116-118.
【4】刘静. 无人机低空遥感测绘大中比例尺数字化图的实践与探索[J]. 科学与财富， 2017（20）：36-38.
【摘 要】基于卫星遥感及传统航空遥感的地形测绘具有一定的局限性，为了满足大比例尺1：1000的测绘需求，提升测绘精度和质量，提倡使用智能测绘无人机来实现自动化、智能化的测绘作业。论文探讨了智能无人机测绘的重要性及价值，并在明确无人机测绘的工作流程的前提下，分别针对平原及山区丘陵地区的无人机1：1000地形图测绘进行了实践研究。
【Abstract】 As satellite remote sensing and traditional aerial remote sensing mapping all have certain limitations， in order to meet the demand of surveying and mapping of 1：1000 large scale， to enhance the accuracy and quality， we advocate the use of intelligent mapping UAV to achieve the automation and intelligence of surveying and mapping work. This paper discusses the importance and value of smart UAV mapping， and on the premise of UAV mapping workflow， respectively do the practice research of surveying and mapping of 1：1000 topomap by UAV in plain and hilly area.
【关键词】智能测绘无人机；1：1000地形图测绘；航空摄影
【Keywords】intelligent surveying and mapping UAV； surveying and mapping of 1：1000 topomap； aerial photography
【中图分类号】P231 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）11-0172-02
1 引言
随着测绘需求效率的提升及覆盖面的拓展，越来越多的现代化技术手段投入到地形测绘实践中。传统的地形测绘以人力为主要依托，测绘周期长，成本高，对基于地形测绘的地理研究、城市规划等工作的实现带来了一定的难度。现阶段智能测绘无人机的實践运用，有效改善了这一问题。
2 智能无人机测绘的重要性及价值
为了满足多空间、多地理条件下的地图测绘工作，相继投入了卫星遥感、大飞机遥感等航空智能测绘技术。例如卫星遥感是以人造卫星为遥感平台，通过远距离感测地球物体辐射、反射等光谱效应，经过信息校正、变换、分解等光学处理技术形成数字化图形[1]。但是受空间和布点的限制，灵活性较低。智能无人机测绘技术的投入有效弥补了这一缺陷。以最少的人力支出，针对大飞机遥感无法深入的空间进行地图测绘。在智能无人机中集成了数码照相技术、无线数字通讯技术以及智能自动化控制技术的现代信息化技术，在促进技术自我适应、可持续发展的同时，促进了现代化测绘工作的完善和发展，能够对测绘成果的质量进行良好提高。由于智能无人机地形图测绘具有重要意义，所以我们就要对智能无人机的设计和实际测绘进行良好分析，从而保证智能无人机的良好应用能够满足实际的测绘要求。
3 智能无人机测绘的基本工作流程
智能测绘无人机与传统大飞机遥感测绘同样使用航空摄影技术来进行测绘工作。因此智能无人机测绘的基本工作流程与传统遥感摄影测绘保持一致。在进行测绘工作前，需要针对测绘地区进行基本的踏查和资料收集，确定作业区域，从而为设定无人机的测量范围等参数提供基础依据，避免因为外部作业条件问题，影响测绘成果质量。要求做好完善的智能无人机测绘航痕图设计[2]，指导无人机完成后续航空摄影流程，接下来按照外业像控点布设、测量→空三加密与检核→航测内业描图→地形图编辑和检查的步骤执行测绘作业。在此工作中，地图测绘的外业作业主要通过智能无人机按照1：1000的大比例作业要求自动化完成，并将采集的数据通过内业作业人员结合现代化计算机数据分析技术进行核查和验证。
4 智能测绘无人机1：1000地形图测绘的实证分析
4.1 智能测绘无人机1：1000地形图测绘的核心技术优化
智能无人机的应用虽然免除了传统测绘作业条件下的缺点，但是其航空摄影过程中，仍然伴有影像重叠度高、像幅小等缺点，制约智能测绘无人机在大比例地图测绘中的应用，因此为了解决这一问题，需要进行两方面的准备。一是外业作业时，像控点的布设依据待测区的地类划分等权区域，并根据区域大小布设7±2个目标点进行像点采集。借助MAP-AT软件的DEM的自生匹配功能，实现影响的自动化拼接。并结合地貌、地形等地学参数，根据等权区域圈定符合条件的像控点的目标点，截取点位附近的放大图打印以便进行选刺、联测[3]。二是通过map matrix最优版本实现无缝自动切换模型，从而达到立体测绘的目标要求。在对这两方面内容进行调整后，能够有效提升无人机的测绘效果。
4.2 测区概况
为了充分研究智能测绘无人机在1：1000大比例地形图测绘的实践效果，本文分别选择平原地区及山区丘陵地带作为实测区域进行操作。根据测绘需求，对测绘地区进行测前踏查，其基本情况如下：①平原测区，位于长江中下游，属于亚热带季风气候，雨量丰沛，年均日照1700小时以上，含堆积平原及滩涂平原两种地貌，塘漾棋布，平均海拔4～7m。测区内含多条国道、省道、铁路以及河流越境，属于干支相连、水陆联动的运输网构造结构。②山区丘陵测区，地处暖温带干旱气候区，季节分明，日照丰盈，年均日照量近2500小时。测区外部环有山地，中部区域以丘陵为主，地势由东向西部发生倾斜，是农业发展聚集区，境内平均海拔500米，最高海拔为900米，以国道、县道、乡间公路等为主要路网。
4.3 无人机选型及比例尺确定
根据无人机测绘的功能需求，主要考量航空摄影相机及位移补偿条件进行选型。因此在本试验中选择大地鹰D—Ⅲ型测绘无人机进行试验。无人机搭载的航空摄影数码相机为配有16mm定焦镜头的索尼卡片机，像素可达1400万，单位像素尺为5.1μm。结合《低空数字航空摄影规范》（CH/Z 3005-2010）中对1∶1000比例尺地形图测绘的要求以及瞬间相机位移产生成像噪点的固定[4]，要求航拍影像的分辨率在10cm±2cm之间，且非成像噪点高于2/3像素尺寸。那么要想完成全自动无漏洞航空摄影，在80km/h的航拍速度下，其曝光瞬间相机位移产生的成像噪点不应大于40mm。那么只要保持快门速度不大于1/600秒的情况下，就可以满足地形图测绘需求。
4.4 智能測绘无人机实际作业流程
采取真彩色成像方式，根据无人机测绘的基本工作流程，基于事前踏查结果，分别对两测区设定具体的航痕图，其中测区①由南向北共设置4条长度为1.5km的航线，总测航里程为6.9km，测区②按照由南向北的方式设置4条长度不等的航线，总测航里程为16.3km。两地形图测绘区分别获得133张及230张航拍图片。按照航痕图完成航空摄影后，按照外业像控点布设、测量→空三加密与检核→航测内业描图→地形图编辑和检查的步骤执行测绘作业。根据测区①②的地类等级划分等权区域，平原地区的等权区域划分难度远低于山区丘陵地区，且可在少量像控点的情况下达到地形图测绘目标，平原地区共选取像控点14个，山区丘陵地区共选取像控点25个。所有的像控点均采用高性能全站仪根据测量规范进行测量。另外，为了检测后期的成图精度及空三加密作业，为每幅地形图测绘设置了15～20个不等的检测点，采用GPS实时动态定位技术来完成。根据内页描图需要及相关作业规范，本试验采用match-AT空三软件来进行自由网的构建，并使用PATM软件来对区域网的平差进行优化处置，根据实测的影像分布情况空三区域为加密区域网，并以自动和手动相结合的方式，完成整个加密作业，达到1：1000的大比例尺数据采集标准。为了实现立体绘图，将加密结束后的数据导入Map Matrix软件进行多源数据处理，完成描图。对完成的描图，分别针对测区的工作量、检查数量、比例，点位平面精度，地物间距精度，点位高程精度（点/边数、粗差率、中误差）进行核查和校准。
5 结语
综上所述，智能测绘无人机能够有效弥补卫星遥感、传统大飞机遥感测绘灵活度低的缺陷，并能够在搭载高像素数码相机条件下，满足大比例尺1：1000的多地形条件下的智能地图测绘。本文所选用的机型在保持低于1/600秒的快门速率下，可以获得稳定的测绘地形图，且在match-AT以及Map Matrix的软件配合下，实现高精度，低人工强度的测绘工作，在应急测绘、国土资源监测等领域具有广泛的应用意义。
【参考文献】
【1】王鹏. 浅析无人机1：1000地形图测绘中的应用及实践[J]. 华北国土资源，2013（06）：83-85.
【2】郭伟. 无人机航空测量在1：1000地形图的应用[J]. 工程技术（全文版）， 2016（7）：00273-00274.
【3】吕立蕾. 无人机航摄技术在大比例尺地形图测绘中的应用研究[J]. 测绘与空间地理信息， 2016， 39（2）：116-118.
【4】刘静. 无人机低空遥感测绘大中比例尺数字化图的实践与探索[J]. 科学与财富， 2017（20）：36-38.
