城市地形图测绘中航空摄影测量技术的应用策略.pdf

基于城市地形图测绘中无人机航空摄影技术以及DEM、DOM处理技术，采用不同航测方式和控制点布设方式对城市进行测绘。研究结果显示，采用空中加密技术并做好外业调绘能保证平面、高程、接边的精准性，利用数字化地形图编辑成图，能够保证数据真实，做好质量控制。1 无人机航空摄影测量进行无人机航空摄影测量前，要根据拍摄需求选择适合的无人机类型，并做好数据收集，调试好无人机后再根据测绘条件规划航线，以最大限度地降低测量影像。在航线设计阶段，需要先进行现场核查，确保无人机调试结果满足现场条件后，再选择合适且精简的线路以降低消耗成本，然后投入摄影过程。根据像控点分布进行数据处理，最后利用DEM、DOM技术处理图像，获取结果，具体流程如图1所示。无人机航测对降落条件没有硬性要求，起降方便，飞行范围广，获取的影像分辨率高，能够随时供人参考。综合来看，无人机航空摄影测量具有快速性、安全性、时效性等优势。2 城市地形图测绘中无人机航空摄影测量系统2.1 飞行控制系统为保证城市地形图测绘中航空摄影测量工作顺利进行，需先满足无人机的飞行安全，因此一般添110华北自然资源测绘测量2023.5111总第116期052023年摘要：文章采用项目分析法、文献调查法以及对比分析法对航空摄影测量技术应用进行分析，并结合实际应用介绍了航空摄影测量技术在城市地形图测绘工作中的运用细节和技术要点。结果表明，无人机航空摄影在城市地形图测绘中的应用成效显著，不仅能够降低测绘误差，而且操作简单安全系数高。关键词：地形图测绘；航空摄影测量；无人机中图分类号：P231 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）05-111-4王立妮，张 弘，范 璐（河南省地质局矿产资源勘查中心，河南 郑州 450000）作者简介：王立妮（1987），女，工程师，本科，毕业于河南理工大学，研究方向：测绘工程。城市地形图测绘中航空摄影测量技术的应用策略图1 无人机航拍流程物类型，6种地物影像具体参数信息见表1。使用Matlab平台人工神经网络工具箱构建人工神经网络，根据地物特征选取3组人工神经网络训练样本。样本一：选取10块植被样本，12块岩体样本，10块地表水用地样本，15块房屋建筑用地样本，18块水田样本以及16块旱田样本。样本二：选取15块植被样本，10块块岩体样本，15地表水用地样本，15块房屋建筑用地样本，10块水田样本以及12块旱田样本。样本三：选取20块植被样本，13块岩体样本，11地表水用地样本，10块房屋建筑用地样本，15块水田样本以及10块旱田样本。根据训练样本数据提取的各地光谱特征以及其他信息，对数据进行人工神经网络训练提取分类特征，最终得到分类结果。根据两种方法得到分类结果，利用Kappa分析软件对分类结果Kappa系数值计算。Kappa系数是用来评价分类结果与实际值的一致性，如果Kappa系数值超过0.8，则表示矿山遥感影像分类结果的一致性较大，分类精度较高；如果Kappa系数计算值在0.40.8范围内，则表示矿山遥感影像分类结果一致性一般，分类精度一般；如果Kappa系数计算值低于0.4，则表示矿山遥感影像分类结果一致性较差，分类精度较低。以Kappa系数值作为实验结果，对两种方法进行对比。3.2 实验结果根据Kappa分析软件计算的Kappa系数值绘制实验结果图，并对此次设计方法与传统方法进行对比分析，实验结果如图1所示。从图1可以看出，此次设计方法Kappa系数值平均可达0.8以上，平均值为0.91，最高可达0.97；而传统方法Kappa系数值平均为0.38，最高仅为0.42。这些数据可以证明基于人工神经网络的矿山遥感影像分类方法具有较高的分类精度，相比传统方法具有很好的适应性和稳定性，可以满足矿山遥感影像分类精度需求。4 结束语本文结合矿山遥感影像分类需求和现状，对基于人工神经网络的矿山遥感影像分类方法进行了研究，该方法利用人工神经网络分类矩阵，对矿山遥感影像数据训练分析，提取到与分类目标相符的地物信息，并通过实验论证表明，该方法具有良好的适用性，提高了矿山遥感影像分类精度。此次研究对于人工神经网络的构建以及人工神经网络对遥感影像数据的训练没有过多分析探讨，今后会进行进一步研究，为矿山遥感影像分类提供指导。参考文献：1 李冠东,张春菊,高飞,等.双卷积池化结构的3D-CNN高光谱遥感影像分类方法J.中国图象图形 学报,2019,24(04):639-654.2 冯国政,徐金东,范宝德,等.基于半监督模糊C 均值算法的遥感影像分类J.计算机应用,2019,39(11):3227-3232.3 莫建麟,王玉晶.面向嵌入式的卷积神经网络图 像分类算法J.黑龙江工业学院学报(综合版),2020,20(10):56-59.图1 两种分类方法Kappa系数值对比图航线设计空域申请外业布设像控点补飞计划航飞实施相片预处理相片质量检查外业像控测量航线设计生成DEM和DOM DLG制作成果评定是否符合条件Kappa系数值王立妮，等：城市地形图测绘中航空摄影测量技术的应用策略完成以上工作后开始无人机航空摄影流程。在无人机选择上需与目标测绘区域的条件相适配，本次航测工程选择CW-10垂直起降无人机，续航1 h左右，选用索尼a7r2像素4200万型号相机进行组装与航线规划，同时做好地面基站的架设工作。采用垂直下视航摄航线，单次航摄以“Z”航线为主，与旁向摄影重叠度为60%。航高与地面分辨率关系如图3所示。在航摄过程中发现，镜头倾斜过程中存在地物遮挡问题，原因可能为城市区域地形起伏小，因此选用70十字交叉的方式进行航摄，分辨率控制为1.23，旁向影像重叠度60%。通过数据影像对比后发现，后者的遮挡情况明显降低。3.3 数据处理数据处理方面选择用Photo Scan软件，通过像控点和航测所采集的数据进行编辑运用，形成完整数据链后在软件中处理并建模，最终绘制精准的地形模型。具体流程如下：1）将无人机拍摄的影像数据全部导入软件，再由软件进行自动化排列与检查，确保影像质量符合成像的基本条件。2）借助SFM算法从输入的影像数据中进行数据提取，并自动生成稀疏点云，根据相机参数实现数据初步评估。3）根据影像信息找到控制点靶标，再结合现有数2据添加控制点完成三空运算，不断优化相机参数。4）影像数据处理时，采用MVS方法剔除冗余点，采用多视角方式匹配分析影像特征点，形成密集点云模型，得到地形模型。3.4 高空三角测量空中三角测量技术是航空测绘中的常用技术，利用先前对目标区域采集的数据进行分析，并根据现场情况制定方案。在应用时明确加密距离和高差，同时对城市中部分复杂的地形或建筑群进行评估测量，降低环境对无人机飞行的影响。针对边缘位置的规划需要明确空中加密点位置，调节像素数据。在摄影测量过程中需应用相应的存储软件实现信息共享，处理多余像控点。本次研究采用天宫GodWork-AT软件进行大规模的无人机拍摄影像，利用遥感技术解决以往拍摄中存在的重叠度不稳定、像幅小的问题。具体流程为：数据准备创建工程一键空三智能平差刺像控点控制网平差成果输出。其中，平差阶段可采用光束法完成区域网平差，采用抽片方式处理航线重叠问题。计算加密点和像控点时采用剔除或修测的方式降低误差。完成收集工作后要做好信息编排处理，并对检测难点进行标记用于辅助提3醒。区域网平差精准度需要满足数字航空摄影测量 空中三角测量规范中的内容，如表2所示。在标准操作环境下，空三加密技术应用成果包括定向信息文件、保密点文件、PATB格式文件以及EOS工程文件，再以此成果为依据建立数字立体模型，利用航天远景软件实现影像输出。3.5 外业补测外业补测工作在数据统一的基础上进行实地调绘和属性标注，测绘过程中部分区域属于无人机航线盲区，需要用特殊符号标记，用于后续补测。要对必要的地貌、地物等要素进行测量，对航测过程中存在遗漏或有疑问的信息进行校对，并将结果与内业数据采集相结合，保证地图测绘数据的精准性。案例工程采用GPS-RTK全站仪进行补测，针对比较隐蔽的地物，以周边地物为测量起点，应用交会法112113华北自然资源测绘测量2023.5总第116期052023年王立妮，等：城市地形图测绘中航空摄影测量技术的应用策略加飞行控制系统。飞行控制系统要求无人机性能好，满足持续续航需求，时长控制在1.5 h以上，巡航速度控制在120 km/h以内，且具有一定的抗风性。借助GPS技术，能保证无人机按照规定航线飞行，采用具有数据存储功能的GPS，能够通过差分定位或单点定位计算曝光点坐标，且GPS数据输出频率在4 Hz以上。2.2 基站控制系统在航空测绘过程中，无人机要收集大量数据，需要设置地面基站系统，建立数字传输电台满足通信需求。无人机飞行时，控制基站软件显示电子图形，根据数据信息对无人机航线进行优化。同时，还可以利用基站时刻关注无人机动向和沿途出现的安全问题，重新规划路线使其安全返航。设计地面基站系统时直接输入影像分区范围坐标，由软件控制航线间距以及无人机飞行的速度、方向等，自动生成文件方便局部编辑。2.3 航空拍摄系统航空拍摄系统为无人机所携带的摄像机，不同类型和需求的测绘工程需要应用不同性能的机器，但必须确保分辨率要求、信噪比、灵敏度、解析力等要素与无人机相适配，安装合理，以实现最佳的拍摄效果。3 实例分析本文以某城市测绘工程为例展开对航空摄影测量技术应用的分析，利用该市地质信息连续采集系统完成像控点布设，并应用数字地图编辑、补测等2:技术对256 km 的范围进行1 1000地形图测绘，部分:区域范围进行1 500地形图测绘，地面分辨率分别为0.08 m和0.04 m。3.1 数据采集与航线设计数据采集是进行城市地形测绘的首要任务，需确保数据精准真实且全面。进行数据采集时应用Mapmatrix软件，能够展现目标测绘区域的立体影像模型，了解城市情况，对重要信息进行标注，从而实现点、线、面的结合。应用Mapmatrix软件时可与航拍信息相结合了解地形要素等信息，对无人1机航线进行自动化调整。3.2 像控点测量及航线布置项目工程中航测区域标志性地物较多，因此在进行控制点设计时可适当减少数量，划分区域单位进行控制点布设。图根控制点的测量按照GNSS RTK方式，平面测量技术要求见表1。完成基本的航空拍摄后可了解目标测绘区域的基本信息，进行像素点的布控与航线设计。点位选择需要保证周围交通条件良好，能够实现联测和拓展，同时场内的障碍物高度角需控制在15以内，避免影响航测精准度，地形困难区域可根据目标测绘区域特点适当放宽条件。现场符合条件的控制点可以直接利用。对已有控制点需要利用RTK进行核验，保证平面位置差。点位的埋设需要满足高程与平面需求，在图根点上根据区域情况做好标志。像控点的布设流程见图2。表1 平面测量技术要求图2 像控点布设流程图3 航高与地面分辨率关系图等级相邻点距离/m点位中误差/cm边长相对误差测回数图根10051/40002完成以上工作后开始无人机航空摄影流程。在无人机选择上需与目标测绘区域的条件相适配，本次航测工程选择CW-10垂直起降无人机，续航1 h左右，选用索尼a7r2像素4200万型号相机进行组装与航线规划，同时做好地面基站的架设工作。采用垂直下视航摄航线，单次航摄以“Z”航线为主，与旁向摄影重叠度为60%。航高与地面分辨率关系如图3所示。在航摄过程中发现，镜头倾斜过程中存在地物遮挡问题，原因可能为城市区域地形起伏小，因此选用70十字交叉的方式进行航摄，分辨率控制为1.23，旁向影像重叠度60%。通过数据影像对比后发现，后者的遮挡情况明显降低。3.3 数据处理数据处理方面选择用Photo Scan软件，通过像控点和航测所采集的数据进行编辑运用，形成完整数据链后在软件中处理并建模，最终绘制精准的地形模型。具体流程如下：1）将无人机拍摄的影像数据全部导入软件，再由软件进行自动化排列与检查，确保影像质量符合成像的基本条件。2）借助SFM算法从输入的影像数据中进行数据提取，并自动生成稀疏点云，根据相机参数实现数据初步评估。3）根据影像信息找到控制点靶标，再结合现有数2据添加控制点完成三空运算，不断优化相机参数。4）影像数据处理时，采用MVS方法剔除冗余点，采用多视角方式匹配分析影像特征点，形成密集点云模型，得到地形模型。3.4 高空三角测量空中三角测量技术是航空测绘中的常用技术，利用先前对目标区域采集的数据进行分析，并根据现场情况制定方案。在应用时明确加密距离和高差，同时对城市中部分复杂的地形或建筑群进行评估测量，降低环境对无人机飞行的影响。针对边缘位置的规划需要明确空中加密点位置，调节像素数据。在摄影测量过程中需应用相应的存储软件实现信息共享，处理多余像控点。本次研究采用天宫GodWork-AT软件进行大规模的无人机拍摄影像，利用遥感技术解决以往拍摄中存在的重叠度不稳定、像幅小的问题。具体流程为：数据准备创建工程一键空三智能平差刺像控点控制网平差成果输出。其中，平差阶段可采用光束法完成区域网平差，采用抽片方式处理航线重叠问题。计算加密点和像控点时采用剔除或修测的方式降低误差。完成收集工作后要做好信息编排处理，并对检测难点进行标记用于辅助提3醒。区域网平差精准度需要满足数字航空摄影测量 空中三角测量规范中的内容，如表2所示。在标准操作环境下，空三加密技术应用成果包括定向信息文件、保密点文件、PATB格式文件以及EOS工程文件，再以此成果为依据建立数字立体模型，利用航天远景软件实现影像输出。3.5 外业补测外业补测工作在数据统一的基础上进行实地调绘和属性标注，测绘过程中部分区域属于无人机航线盲区，需要用特殊符号标记，用于后续补测。要对必要的地貌、地物等要素进行测量，对航测过程中存在遗漏或有疑问的信息进行校对，并将结果与内业数据采集相结合，保证地图测绘数据的精准性。案例工程采用GPS-RTK全站仪进行补测，针对比较隐蔽的地物，以周边地物为测量起点，应用交会法112113华北自然资源测绘测量2023.5总第116期052023年王立妮，等：城市地形图测绘中航空摄影测量技术的应用策略加飞行控制系统。飞行控制系统要求无人机性能好，满足持续续航需求，时长控制在1.5 h以上，巡航速度控制在120 km/h以内，且具有一定的抗风性。借助GPS技术，能保证无人机按照规定航线飞行，采用具有数据存储功能的GPS，能够通过差分定位或单点定位计算曝光点坐标，且GPS数据输出频率在4 Hz以上。2.2 基站控制系统在航空测绘过程中，无人机要收集大量数据，需要设置地面基站系统，建立数字传输电台满足通信需求。无人机飞行时，控制基站软件显示电子图形，根据数据信息对无人机航线进行优化。同时，还可以利用基站时刻关注无人机动向和沿途出现的安全问题，重新规划路线使其安全返航。设计地面基站系统时直接输入影像分区范围坐标，由软件控制航线间距以及无人机飞行的速度、方向等，自动生成文件方便局部编辑。2.3 航空拍摄系统航空拍摄系统为无人机所携带的摄像机，不同类型和需求的测绘工程需要应用不同性能的机器，但必须确保分辨率要求、信噪比、灵敏度、解析力等要素与无人机相适配，安装合理，以实现最佳的拍摄效果。3 实例分析本文以某城市测绘工程为例展开对航空摄影测量技术应用的分析，利用该市地质信息连续采集系统完成像控点布设，并应用数字地图编辑、补测等2:技术对256 km 的范围进行1 1000地形图测绘，部分:区域范围进行1 500地形图测绘，地面分辨率分别为0.08 m和0.04 m。3.1 数据采集与航线设计数据采集是进行城市地形测绘的首要任务，需确保数据精准真实且全面。进行数据采集时应用Mapmatrix软件，能够展现目标测绘区域的立体影像模型，了解城市情况，对重要信息进行标注，从而实现点、线、面的结合。应用Mapmatrix软件时可与航拍信息相结合了解地形要素等信息，对无人1机航线进行自动化调整。3.2 像控点测量及航线布置项目工程中航测区域标志性地物较多，因此在进行控制点设计时可适当减少数量，划分区域单位进行控制点布设。图根控制点的测量按照GNSS RTK方式，平面测量技术要求见表1。完成基本的航空拍摄后可了解目标测绘区域的基本信息，进行像素点的布控与航线设计。点位选择需要保证周围交通条件良好，能够实现联测和拓展，同时场内的障碍物高度角需控制在15以内，避免影响航测精准度，地形困难区域可根据目标测绘区域特点适当放宽条件。现场符合条件的控制点可以直接利用。对已有控制点需要利用RTK进行核验，保证平面位置差。点位的埋设需要满足高程与平面需求，在图根点上根据区域情况做好标志。像控点的布设流程见图2。表1 平面测量技术要求图2 像控点布设流程图3 航高与地面分辨率关系图等级相邻点距离/m点位中误差/cm边长相对误差测回数图根10051/40002114115华北自然资源测绘测量2023.5焦晓林：土地利用规划调查无人机航拍图斑核查方法浅析总第116期052023年或直角关系法，其中交会法角度控制在3050。完成补测工作后需要进行外业调绘，利用内业根据点坐标为参照，保证地物位置正确，提升测图的精准度。外业调绘根据不同地物的性质进行数据4测量，比较常见的为房屋、道路和水系。房屋建筑结构的定位以墙基角为准，房檐宽度图上长度在0.2 mm以上需注明宽度，其类型划分为一般房屋、简单房屋、建筑房屋、破坏房屋和棚屋，需要进行区分并逐个调绘。交通方面的调绘主要按照道路等级和位置划分，以路边线为基准反映线段曲直程度和交叉程度，调绘不可中断，同时路边设施也需要进行调绘，包括路标、路牌、红绿灯等。各级公路需做好路肩宽度设置，1 mm以上按比例表示，1 mm以下则按照1 mm表示。针对水系的调绘，要点在于水位位置，根据水涯线和岸边线的距离控制地图信息，以1 mm为距离，1 mm以内水涯线在图上绘在岸边线上，反之则分别绘出。详细区分河流、湖泊以及水库等不同性质的水系，若遇到水坝、桥梁等建筑需要中断，遇到水塘还需标注有无养殖情况，有则标为“鱼”，无则标为“塘”。3.6 图幅筛选与接边制作航空影像绘制中一般利用无人机航拍向中央控制面板传输数据，以便快速了解测绘情况并进行处理。为确保相关工作顺利落实，需要对成片进行检验和筛选，快速了解地物信息，避免造成偏差。完成图像筛选后进行图幅接边工序，沿着接边线进行节点编辑，确保整体图幅高程值和面层码一致。利用DEM、DOM进行数字高程模型制作，通过空三加密成果转出EOD工程并生成DEM进行接边，对航测区域的地物进行编辑处理，具体的工艺流程为：原始影像正射纠正按照影像匀色标准模板进行制作正射影像镶嵌DOM色彩精编分幅与裁切DOM分幅图成果，影像输出分辨率为0.1 m。4 结束语通过对城市地形图测绘中航空摄影测量技术应用进行研究，进一步了解了无人机航摄的特点及详细步骤，根据城市地图测绘需求做好控制点布设，并在航线设计方法中选用2种不同摄影方式提升测绘精度，利用信息修正技术解决以往普通航空影像测绘中数据关联性差的问题，在加强技术协同的同时提升测绘信息精准度。参考文献：1 王丽.无人机航空摄影测量影像数据快速处理技 术分析J.数字通信世界,2022(09):89-91.2 郝祥坤.航空摄影测量中控制测量要点分析J.西部资源,2022(04):58-60.3 周路.无人机航空摄影测量技术在城镇地籍测量 中的应用策略研究J.科技创新与应用,2022,12 (17):189-192.4 林建雄.航空摄影测量中控制测量要点探讨J.资源信息与工程,2022,37(03):85-87.表2 区域网平差精准度要求摘要：无人机土地利用规划调查获取的图斑数量少、面积小，无法满足高精度的土地利用规划调查要求，导致用地类型的识别分类效果较差。为此，提出土地利用规划调查无人机航拍图斑核查方法。设计无人机的外业航摄计划安排，定制飞行计划，对数据进行处理。获取到航拍图斑后进行纹理规划，得到航拍影像纹理规划图层作为图斑核查分类依据，利用SVM作为图斑分类器实现土地类型分类。结果表明，该方法对不同类型的用地分类精度和召回率较高，具有较高的实用价值。关键词：土地利用规划；土地调查；无人机航拍；图斑核查；SVM中图分类号：P237 文 献标识码:A文章编号：2096-7519（2023）05-115-4焦晓林（晟洲信息科技有限公司晋中分公司，山西 榆次 030600）作者简介：焦晓林（1997），男，助理工程师，毕业于山西煤炭职业技术学院，主要从事测绘相关工作。土地利用规划调查无人机航拍图斑核查方法浅析土地利用规划调查是全面掌握土地利用状况的重要手段，是开展土地执法监管的基础。为了保证土地利用规划调查顺利开展，提升调查效率，利用无人机对建设用地、未利用地、农用地、耕地、林地等地类进行全面调查，从中获取遥感影像开展图斑核1-2查。随着无人机技术的快速发展，传统的航拍方3-4法已经无法满足现代土地调查工作的需要。遥感技术具有传统航空遥感无法比拟的优势，而土地利用规划调查作为国土资源的基础工作，主要采用“3S”集成技术提取变化图斑进行实地核实。针对“3S”集成技术中遥感数据采集速度慢、举证难度大等问题，本文以遥感影像为数据源，提出利用无人机航拍图像进行图斑核查的方法，实现遥感影像5图斑“非接触式”快速举证。利用无人机航摄系统采集数据时效性好、效率高等特点满足图斑核查需要。但是通过无人机获取的图斑数量少、面积小，使用传统的图斑核查方法用地类型的识别分类效果较差。因此本文设计一种基于SVM的无人机航拍图斑核查方法。1 无人机航拍图斑核查方法设计1.1 外业航摄流程设计外业航摄主要包括航拍飞行计划安排、飞行前准备、数据处理。航拍飞行计划安排中，根据项目技术指标和实际核查面积，规划具体的调查飞行时间。在一般的土地利用规划调查中，经常使用的无人机航摄主要有3款机型：大疆精灵4系列、大疆Mavic 63 Pro和大疆TokioV2 Pro。3款机型性能各不相同，作业前要先确定3款机型的参数、飞行时间、航线设计等内容。在数据处理过程中，无人机航拍获取数据量大，必须经过处理才能得到更有效的成果。经过前期详细调研，了解规划调查需要达到的成果指标后根据本次规划调查工作目标及内容要求对航摄数据进行分类处理，保证飞行数据的精度和时效性。无人机成图比例尺点别平面位置中误差/m高程中误差/m平地丘陵地平地丘陵地1:500基本定向点0.130.130.110.11（0.20）检查点0.1750.1750.150.15（0.28）公共点0.350.350.300.30（0.56）1:1000基本定向点0.300.300.11（0.20）0.26检查点0.500.500.15（0.28）0.40公共点0.800.800.30（0.56）0.60