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解读市政设计工程中低空航摄系统的积极作用

2020-03-20 237 上传者：管理员

摘要：针对低空航摄系统在市政设计工程中应用不成熟、带状大比例尺成图精度不高等问题，本文提出了一套行之有效的市政工程测绘成果获取方法。该方法基于正射云台，通过研究低空航测地形图的各个环节，能够制定详细的飞行以及数据处理流程，因此最终获取了满足工程设计要求的1：500大比例尺数据成果，并在详细分析了误差来源的基础上，提出了提高测图精度的有效措施。研究结果表明，与传统的航摄方法相比，利用该方法可获取1：500大比例尺地形图，且根据该系统提出的改善方法可以有效的提高市政工程带状地形的测图精度。

关键词：
低空航测系统
大比例尺地形图
市政设计工程
影像处理
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低空航摄系统（无人机）作为新兴的航空遥感手段，具有空间分辨率高、灵活机动、效率高、成本低、成图速度快^[1-4]等优势，在市政设计工程中有着广泛的应用前景；但在低空摄影测量时，由于无人机自重较小、飞行不稳定，航摄系统和影像处理过程存在许多不足，如无人机搭载的是非量测型相机，飞行姿态不稳定，影像数据像幅小、基高比小、重叠度大、分辨率较高和成果数据量较大等^[5-7]。本文针对市政工程的特点，通过研究低空航测地形图的各个环节，分析了影响精度的因子，提出了一套行之有效的市政工程测绘成果获取方法，并给出了提高测图精度的有效措施。

1、低空航摄系统的组成

低空航摄系统一般包括无人机飞行平台、飞机控制系统、非量测型数码相机、通信设备以及地面站接收与处理设备，如图1所示。本文采用的低空航摄系统主要包括无人机平台、数码相机、正射云台、双飞控系统、地面站和影像处理软件。

图1 低空航摄系统的组成

1) 无人机平台

本文采用HY-6X型旋翼机（图2）。该机型具有超强机动性，基本无需起降场地，可在城市路边、屋顶等任意场地起飞和降落，大大减少了寻找飞行场地的时间和限制，作业方便，且飞机降落采用定点垂直的方式，对机体无损。具体飞行性能参数如表1所示。

图2 HY-6X型旋翼无人机

表1 飞行性能参数

2) 数码相机

非量测型数码相机采用索尼A7RII微单相机，按照控制系统的预设指令进行定时摄影。其主要参数为：①传感器类型为CMOS；②传感器尺寸为35mm全画幅（35.9×24mm）；③长宽比为3∶2；④有效像素为4240万；⑤焦距为28mm定焦镜头。

3) 正射云台

搭载相机云台采用两轴云台，使相机始终垂直朝下，不随飞机姿态的变化而变化，可保证拍摄的影像始终处于正射状态（图3）。

图3 正射云台

4) 数据处理采用3DSurvey摄影测量数据处理系统

该系统理论基础成熟，其高效率的人机交互操作模式和强大的功能模块，实现了影像数据的高效处理和信息提取，提高了数字摄影测量的内业工作效率。数据处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程图

2、总体技术路线

本文采用旋翼无人机获取数码影像，结合外业像控点资料，进行空三加密；采用多视影像自动匹配与人工干预编辑相结合的方法生产DEM、DSM和DOM产品。总体技术路线如图5所示。

图5 低空航测系统总体技术路线

3、市政工程应用实例

3.1 测区概况

本文选取上海市松江区G320（亭枫公路）改扩建工程某段作为研究区。该线路长约为1.5km、宽为0.4km，位于上海市松江区，现场为现状道路亭枫公路（松金公路—亭学路），高差较小，测区平均高程约为4m。飞行参数设置见表2。

表2 飞行参数汇总

3.2 像控点的布设

1) 像控点布设原则

像控点在地面辨识率高的区域宜在飞行后布设，这样有利于选点的合理性。采用SHCORS技术进行控制点布设，精度可达一级GNSS精度要求。其主要原则包括：①控制点在飞行完毕后布设；②在测区四周均匀布设；③像控点尽量布设在航向三片重叠和旁向重叠中线附近；④选取照片上辨识率高的点作为像控点；⑤像控点命名方式为P+序号。

2) SHCORS系统

与常规的RTK作业方式相比，SHCORS系统除了具有高精度、高效率、全天候以及操作简便等特点外，更重要的是解决了常规RTK作业受距离限制的问题，其实时定位水平精度≤3cm，高程精度≤5cm。

3) 像控点分布

按照上述像控点布设原则，测区内共布设14个像控点，具体分布如图6所示。点位选取后，利用SHCORS系统直接采集平高数据，采集数据时需对采集点进行近景和远景拍摄，以便后续内业人员准确刺点。

图6 像控点分布图

3.3 成果输出与精度评定

1) 空三测量

空三测量的主要步骤如图7所示。系统中的空三模块为全自动空三软件，首先根据建好的航线列表进行全测区自动匹配；再通过自动挑点程序将粗差大、多余的像点剔除；最后进行连接点的交互编辑，根据刺好的控制点进行光束法平差解算，直至加密完成，输出空中结果。

图7 空三测量流程图

2) DSM、DOM制作

根据空三加密成果，对无人机航摄的原始影像进行重釆样生成点云数据。系统通过人机交互的方式匹配地面点，并经过自动滤波得到DEM。虽然系统实现了自动匹配，但会受现实地物复杂性（如建筑、树木、阴影以及人工地物）的影响，因此为了提高精度，需进行人工编辑，通过对地面的选择，将建筑、树木等人工地物删除，最终获取DSM数据（图8）。DOM制作包括数据处理、影像匀光匀色处理、纠正处理、色调均衡处理以及镶嵌处理。系统生成的初步结果，还需通过人工编辑进行颜色和几何处理，才能真正满足要求（图9）。

图8 DSM成果

图9 DOM成果

3) 航摄影像成图精度分析

实验中同样采用SHCORS获取摄区检查点坐标数据，共45个点。对比外业检查点的实测坐标与成果坐标，计算得到两组坐标的差值，再根据点位中误差公式计算每个检查点的平面中误差。具体计算结果如表3所示。

表3 地物点精度统计表/m

经过整理计算，地物检查点平面点位中误差为0.101m，高程中误差为0.153cm。由表3可知，大多数点位平面误差分布在5~15cm，高程误差分布在10~25cm。所有检查点的平面和高程较差分布如图10、11所示，平面精度可满足GB50026-2007《工程测量规范》中1:500地形图要求^[8]。

图10 检查点平面误差分布图

图11 检查点高程误差分布图

4、结语

低空航摄系统作为新兴的航空遥感手段，具有空间分辨率高、灵活机动、效率高、成本低、成图速度快等优势，但在市政设计工程中的应用还不成熟、带状大比例尺成图精度也不高。针对这些问题，本文提出了一套行之有效的市政工程测绘成果获取方法。结果表明，在地面分辨率达到5cm的情况下，精度可满足1:500和1:1000地形图要求。

参考文献：

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张鸿飞,许素文.低空航摄系统在市政设计工程中的应用[J].地理空间信息,2019,17(11):40-43,86.