低空航测技术在山地地区大比例尺地形测绘中的应用.pdf

Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY无 人机（Unmanned+Aerial+Vehicles，UAV）航空摄影测量是集计算机编程技术、数字通讯技术以及遥感传感器技术等发展起来的一项测量技术，具有高效快速、精细准确、成果内容丰富等诸多优点，在现代测绘行业发挥着重要作用。就平地、丘陵地地形而言，常常使用高清晰、高重叠度影像即可实现 1 颐 500 测图精度，但在一些范围内高差较大、植被覆盖度大的山地、高山地地区，单纯的影像根本无法满足 1 颐 500 地形测量精度要求，这时，配合机载激光雷达（AirborneLiDAR）技术进行地面点云数据采集，能较为有效的提高范围内地理信息数据的精度。1概 述测区范围属高原横断山脉及两江纵谷区，相对高差最大达 900 m，区内林区面积大，植被密度较大，只通过航摄影像不能满足 1颐500 测图精度，所以，本次除了影像，还配合使用了机载激光雷达 DV-LiDAR10 进行点云数据采集，DV-LiDAR10测距大、多回拨（7 次回拨）等特点，点云能通过多角度有效穿透密林区、建筑物密集区洒到地面。部分测区无千寻覆盖、几乎没有可供人行走的道路，飞行难度较大，需要通过架设基站与无人机同时采集数据，进行内业后差分处理（PPK 技*收稿日期：2023-10-31作者简介：李鹏（1986 年），男，云南昆明人，工程师，主要从事矿山测量、矿产资源勘查工作。Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY低空航测技术在山地地区大比例尺地形测绘中的应用*李鹏（云南冶金资源股份有限公司，云南 昆明 650500）摘要：无人机低空航测技术能迅速、高效、准确的获取影像、点云等信息，现已发展成为基础地理信息采集的重要手段。结合实际生产项目，探讨无人机航测在山地、高山地区 1颐500 地形测量的作业过程、成果产品，并针对 1颐500 大比例尺地形测量规范要求对山地地区成图质量、精度等指标进行研究分析。关键词：航测；机载激光雷达；地形测绘；点云数据；精度中图分类号：TD263文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）02-0034-06Application of Low-altitude Aerial Survey Technologyon Large-Scale Topographic Map of Mountain AreaLI Peng(Yunnan Metallurgical Resources Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650500,China)ABSTRACT：Low-altitude aerial survey technology of unmanned aerial vehicles can fast,efficiently,and accurately obtaininformation on images,point clouds,and so on,it is developed as an important means for basic geographic information collection.Combining with the actual production project,it discussed the operation process,and outcome products of drone aerial survey of 1颐500topographic surveys on mountain areas,high mountain areas,and it studied and analyzed the 1颐500 large-scale topographic mapspecification requirements for mapping quality,precision and the other indicators of mountain areas.KEY WORDS：aerial survey;airborne laser radar;topographic mapping;point cloud data;precision34图 1裁剪测区范围 DEM 示意图Fig.1DEM schematic diagram of clipping area range术）。测区内原已建立控制网-平面坐标系统、高程基准、投影方式统一。成 果 产 品 及 其 格 式：正 射 影 像 图（TIF、TFW）；点云数据成果（LAS）；倾斜三维模型（OSGB）；数字线划图（DWG）。2测量作业实施无人机航测 LiDAR 测量系统地形测量主要作业流程包括：测区踏勘、空域申请、航线布设与外业航测（LiDAR 数据采集和影像获取）、像控点测量、POS 计算、点云数据处理、影像数据处理、DEM 和 DOM 生成、地物要素采集和地形等高线数据生成、地形图编绘及精度检查。2.1航空摄影测量2.1.1像片控制点布测及检查点测量像片控制点布设方案采用四角点组布点，即测区四角布设成点组，中间区域少量均匀布点的方式。像片控制点样式为雨布裁切的“L”型，测量外角1；像控点坐标高程测量，采用 RTK 方法进行。测量精度按照图根控制测量方法和要求进行，采集后整理像控点成果；检查点的布测与像控点相似，很多沿用测区地物特征点，比如房角、水池角，也可用像控点兼作检查点。2.1.2航飞准备在开展航测前，首先对飞行区域进行报备，按照相关规定向航空管理部门申请测区的空域，按时按计划的航线开展航飞，确保无人机低空飞行安全，提高空域资源利用率。无人机起飞前检查：地理位置检查，机身扫描，桨叶、电池、储存卡安装检查，电池温度检查，指南针校准，IMU检查，GPS 信号检查，飞行器/遥控器电量检查，飞行模式及智能返航高度检查。可以制作表格一一罗列项目，两人配合检查勾选，防止漏项。2.1.3影像数据采集使用飞马 D20 无人机，搭载飞马 D-OP3000五镜头获取影像数据及 POS 数据。因在山地地区，影像数据采集采用仿地飞行，仿地数据通过“国家地球系统科学数据中心”获取涵盖测区范围的DEM 数字高程模型文件，再使用 ArcGIS 裁剪出测区范围的 DEM，形成后缀为 tif 的文件，如图 1 所李鹏：低空航测技术在山地地区大比例尺地形测绘中的应用35Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY示。无人机飞控平台相应存储位置，创建飞行任务后为无人机仿地飞行提供高程参考基准。仿地高度需根据地面分辨率的要求设置，确保安全一般不低于 100 m。其他设置项，如飞行速度等，根据现场气候、风速等具体考虑。由于风向风速的影响，飞行航线会造成偏移，影响影像质量及测绘产品的精度。因此，飞行任务完成后，需利用机载 POS 得到的位置和姿态信息集合获取的影像数据，检查飞行质量和影像质量。1）飞行质量检查包括像片重叠度、像片倾角和旋角、航线弯曲度。淤像片重叠度：依据 GB/T7931-2008 1颐500 1 颐 1 000 1 颐2 000 地形图航空摄影测量外业规范 要求，结合摄影测量的生产要求和经验，航向重叠度为 80%，旁向重叠度为70%；于像片倾斜角：像片倾斜角一般不大于 5毅，个别最大不超过 12毅，出现超过 8毅的片数不多于总数的 10%。特别困难地区一般不大于 8毅，最大不超过 15毅，出现超过 10毅的片数不多于总数的 10%；盂影像旋偏角：按照规范要求，影像旋偏角一般不大于 15毅，在确保像片航向和旁向重叠度满足要求的前提下，个别最大不超过 30毅，在同一条航线上旋偏角超过 20毅的像片数不应超过三片，超过15毅旋偏角的像片数不超过像片总数的 10%。像片倾斜角和旋偏角不应同时达到最大值；2）影像质量检查：航拍区域不能有任何漏洞，航摄中出现绝对漏洞和相对漏洞要及时补测。影像应清晰，反差适中，色调正常，能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物，并能够建立清晰的模型2。2.1.4三维模型及正射影像的生产全 测 区 影 像 分 架 次 下 载 整 理 好 后，导 入contextcapture 影像处理系统，首先无约束空中三角解算，解算精度满足要求后加入地面像片控制点，“刺点”后再次空中三角测量计算，最后查看空中三角测量计算报告，如图 2，各项指标都在误差允许范围内。提交指标合格的生产项目选择参考三维模型。三维模型生产完成后，加入地面检查点，对比分析，确保模型精度达到预期设计要求。图 2空中三角测量质量报告Fig.2The quality report of aerial triangulation36图 3测区正射影像及三维模型Fig.3Orthophoto and three-dimensional model of survey area李鹏：低空航测技术在山地地区大比例尺地形测绘中的应用正射影像的生产需在三维模型生成之后，继续提交新的生产项目选择正射影像。生成的正射影像因数据量大，会分成一定数量的块，常通过 ArcGIS 影像拼接功能将这些单块影像拼接成整块测区范围的正射影像图。影像成果输出如图 3（左为正射影像，右为倾斜三维模型）。2.2点云数据采集及处理2.2.1PPK 技术应用测量范围内部分范围无千寻网络覆盖，需架设第三方基站对采集的数据进行后差分处理（PPK技术）。基站采用静态模式，数据采集时间大于无人机数据采集时间，无人机执行飞行任务期间基站不能因更换电池等原因停止数据采集，确保过程中基站设备不发生偏移。PPK 技术是利用进行同步观测的一台基准站和至少一台流动站的载波相位观测值进行事后处理的动态相对定位技术，相对 RTK 技术其优点明显：淤PPK 技术因是事后处理，无需配备数据通讯链，自然无需考虑流动站（无人机机载 GPS）能否接收到基准站信号等问题，作业半径可达50 km；于相较 RTK 技术实时差分，PPK 技术可通过后处理方式解算一个周期内的历元数据，可以提高固定率，使解算精度更高。一般 PPK 平面精度可达 2.5 mm+0.5，高程精度 5 mm+0.5，优于RTK 技术；盂PPK 技术无需使用电台或网络通信模块，减少无人机的负荷，增加续航时间3。2.2.2点云数据采集采用 LiDAR 生产方案，飞马 D20 无人机搭载激光雷达模块 DV-LiDAR10 按航线获取点云数据。采用仿地飞行（方式同影像获取），根据规范点云数据密度的要求，设置仿地高度、激光点频、旁向重叠率、航速等参数，尽量合理高效的增加单位面积上点云数据。2.2.3点云数据计算1）解算飞行航迹：将地面基准站 GPS 数据与无人机机载 GPS 数据差分解算，精准确定航拍过程中飞机的航迹，再与 IMU 数据进行耦合处理，最后平滑得到无人机在飞行过程中的位置和姿态信息4；2）激光点云的计算：使用飞马无人机管家软件，对飞机航迹数据、激光测距数据及 POS 数据进行联合处理，解析各个测点的（X，Y，Z）坐标，即激光点云数据；3）计算改正数：点云数据存在系统误差及随机误差，使用飞马无人机管家点云处理模块，分出每条航带的地面点云，再用点云匹配模块匹配这些地面点云，通过重叠部分的点云，计算出航带间的改正数来消除这些误差。2.2.4点云数据编辑分类将明显低于地面的点云（低点）和明显高于地表目标的点云（空中点），以及移动地物点定义为噪声点，在进行点云分类前应先将这类点进行去噪剔除。地面点分类：这一过程即点云滤波，本次采用迭代三角网滤波法，先在点云数据中量取最大建筑物尺寸，作为格网大小对点云数据进行格网化，选取网格内最低点以及一定高差范围内的地面点作为地面种子点，建立最初的稀疏三角网，计算剩余各点到三角网的夹角、距离等数据，与设定的迭代角、迭代距离进行比较，如果小于对应阈值接受为地面点，否则拒绝为地面点。重复上述过程，直至所有地面点分类完毕5。非地面点分类：通过参数设置，利用软件自动提取，如树木、建筑物、电力塔等。点云滤波是软件通过算法自动滤取和分类的数据结果，根据参数设置等的不同，或多或少都会存在一些错误的地方，为使生产的 DEM 满足成果精度要求，我们还需要进行人工编辑。人工编辑是整个点云处理中最耗时的工作，包括：辨别并改正自动分类不正确的点，剔除未滤掉的粗差点，适当增加地形失真区域高程特征点。便于后37Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY续点云处理，需要对点云进行提取关键点操作，通常根据不同的应用场景和需求，选择合适的关键点提取方法和参数。2.2.5输出 DSM、DEM 成果进行 DSM、DEM 构建，通过对关键点构三角网，并进行内插处理后，再实现格网对栅格数据的转变，得到 DSM、DEM，若使用未分类的点云进行输出，则成果为 DSM 成果；若使用分类后的地面点进行生成，则为 DEM 文件。2.2.6点云质量检查1）航带重叠度：这里航带重叠分析内容为航带旁向重叠度，规范中对于激光数据的旁向重叠度要求为应达到 20%，最少为 13%，山地地区应适当加大旁向重叠。本项目旁向重叠度 60%，见下表16。2）同架次航带间和不同架次航带间的拼接误差：一般用检查点与 DEM 模型进行检查，指标为“点云数据高程中误差”，如表 2。检查精度报告见表 4，高程中误差：0.149 m，满足规范要求；植被覆盖密集区域、反射率较低区域（如水域、光滑表面等易形成镜面反射的区域）等特色困难地区，点云数据高程中误差可放宽 0.5 倍。3）点云密度检查：如表 2 中要求。本项目平均点云密度为 31 点/m2（表 1）满足规范要求；4）点云噪声情况检查：在作“2.2.4 点云数据分类”时即可作噪声检查。2.3地形图采集常用清华山维 EPS 平台，在实景三维模型上采集居民地、道路、水系、植被、地貌等地物要素，利用激光点云数据生产地形线。2.3.1等高线生产当激光点云数据完成地面点提取后，就得到了精准的地面点高程信息，通过这些高程值生成的数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model），其精度远远高于其他手段（影像等）生产的 DEM数据，一般精度能够达到厘米级别。通过点云生成了高精度 DEM，在基于 DEM 提取高精度的等高线，如图 4。也可通过提取的点云关键点数据，采用高程点建立 DTM 并计算等高线的方法，这样的方式，可以对 DTM 三角形进行适当处理，保证所绘制的等高线的正确性和合理性。2.3.2地物要素生产EPS 软件平台，导入生产完成的三维模型和正射影像，依据图式规范，通过人机交互生产各地形要素。其中，对影像清楚的地物、地貌元素要全部、准确地采集，成像不够清晰的地物地貌元素应尽可能地采集，并在相应区域做出标记，以便外业调绘人员注意，进行位置、属性的核实与补测7。表 1激光雷达点云数据采集参数表Tab.1Point cloud data acquisition parameters by laser radar参数内容参数参数内容参数点云旁向重叠/%60点云标准差0.039航飞高度/m200平均点云密度/（点/m2）31激光点频/kHz150建筑物顶部点云密度/（点/m2）11飞行速度/（m/s）8点云数据特征对数/个2 238 439表 2点云数据高程精度要求Tab.2Elevation accuracy requirements of point cloud比例尺地形类别数字高程模型成果高程中误差/m点云数据高程中误差/m1:500山地0.50.35高山地0.70.5图 4测区数字高程模型提取等高线Fig.4Digital elevation model extraction contour of survey area表 3点云密度要求Tab.3Point cloud density requirements分幅比例尺数字高程模型成果格网间距/m1:5000.5点云密度/（点/m2）逸16备注按不大于1/2数字高程模型成果格网间距计算点云密度。38表 4检查点精度报告Tab.4Precision report of check point检查点X坐标Y坐标高程/m模型点X坐标Y坐标高程/m平面点误差 高程误差XK1403 376.8993 034 922.0441 596.796XKlc403 376.907 03 034 921.963 81 596.962 80.080 60.166 8C071403 384.4893 034 917.3041 596.746C07lc403 384.487 33 034 917.160 71 597.049 40.143 40.303 4XK2404 190.5443 033 830.6201 623.517XK2c404 190.547 23 033 830.664 61 623.433 60.044 7-0.083 4x7404 151.0153 034 024.6421 609.808x7c404 151.010 93 034 024.667 31 609.747 20.025 6-0.060 8x8404 159.3083 034 058.6951 615.449x8c404 159.311 03 034 058.728 61 615.355 60.033 7-0.093 4XK3404 408.1383 035 322.7181 732.326XK3c404 408.140 33 035 322.730 21 732.259 70.012 4-0.066 3X138404 456.9763 034 004.7141 682.788X138c404 457.004 33 034 004.723 11 682.874 60.029 80.086 6X140g404 357.8802 032 988.9131 662.436?140c404 357.829 43 033 988.906 11 662.303 80.051 1-0.132 2X140gl404 256.5373 034 025.2411 665.069X140glc 404 256.528 83 034 025.241 41 665.078 00.008 20.009 0李鹏：低空航测技术在山地地区大比例尺地形测绘中的应用2.4野外调绘实地对室内判调的所有要素的正确性进行核查；补调室内根据三维模型无法判调的要素；要素的属性调查，明确要素实体的属性值；地名调查，重点调查行政村以下的地名及自然地名。3精度评定3.1空中三角测量精度三维模型及正射影像的精度，取决于空中三角测量精度，三维模型生产后，可以加入检查点生成 检查点精度报告，见表 4。相应精度达到相关规范 1颐500 地形图测绘的要求。3.2点云质量评定在点云计算生成*.las 点云数据同时能生成相应参数报告，见表 1 激光雷达点云数据采集参数表，点云数据特征对数 223 842 9 个，点云标准差0.039（表示点云的离散程度）8；同时结合“2.2.6点云质量检查”中的检查项。各项指标均需按规范达成。3.3地形图精度评定测量了 48 个检查点，通过检查点和数字高程模型（DEM）及线画图上相应点进行统计分析，对点云精度进行检核，见表 4。通过误差公式：m=依驻驻n姨其中 m 为平面（高程）中误差，m；驻驻 为所有检查点平面（高程）误差的平方和；n为检查点数。计算出平面及高程中误差 m平 面=0.078 m；mh=0.149 m。根据 1 颐 500 1 颐 1000 1 颐 2000 地形图航空摄影测量外业规范 ，精度满足 1颐500 山地地形测图要求。4结 语低空无人机航测技术经过这几年的不断优化和发展，已经成为测绘行业不可替代的应用工具，广泛应用于城市大比例尺地形图测绘，而在高山峡谷、密林等困难地区的地形测量，机载激光雷达更是充分发挥其稳定性高、多回波穿透行强等特点，弥补了影像数据密遮挡区域地面点无法拾取的难点，配合 PPK 技术，把地形测量的精度又提高了一个层次。参考文献：1 董竞遥.无人机航测技术的发展与应用探讨J.山东工业技术，2018（12）：15.2 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.1 颐500 1 颐1000 1 颐 2000 地形图航空摄影测量外业规范：GB/T7931-2008OL/S.北京：自然资源部（测绘地理），2008.3 郑之涛.低空无人机航测在大比例尺地形测绘中的应用J.工程建设与设计，2018（16）：268-269.4 谢海燕.小型无人机在大比例尺地形图测绘中的应用J.城市道桥与防洪，2017（6）：274-276，31.5 徐勇.无人机航测在大比例尺地形图测绘中的应用探究J.世界有色金属，2019（2）：243，245.6 国家测绘地理信息局.机载激光雷达数据获取技术规范：CH/T8024-2011OL/S.北京：国家测绘地理信息局，2011.7 兰舜涯.露天矿山测绘中无人机航测的应用研讨J.中国金属通报，2020（11）：161-162.8 李天.基于 RTK 技术的无人机在大比例尺地形图测绘中的精度分析J.测绘与空间地理信息，2019，42（3）：166-168.39