无人机航测技术在海图测绘中的应用研究

王宝文 戴云舟

摘  要：随着无人机航测技术的快速发展，其在海图陆域要素更新、海域动态监管领域应用越来越广泛，针对海图测绘养殖区、陆域地形测量常规作业存在的困难，采用纵横CW-10C免像控无人机航测系统进行空中三维地形数据采集，并严格按照规范要求进行处理成图，质量检验结果表明，测量成果满足规范要求，试验方案具有较好的适用性，在海图更新测绘中具有广阔的应用空间。

关键词：无人机;免像控系统;海图测绘;三维地形测量

0 引 言

随着国家“海洋强国”战略的实施，沿海港口建设飞速发展，对海图数据的及时更新提出了更高的要求。我国海岸线漫长，港口及沿岸的交通、建筑、港口设施、近海养殖等地理环境随着海洋经济的快速发展而发生变化，给海图陆域测绘和近海养殖区测绘带来较大的挑战，采用传统的地形测量和水深测量方式不仅效率低下而且作业难度大，难以满足海图的现势性，所以积极探寻一种快捷、有效、低成本、精度高更新海图陆域要素和近海养殖区的测绘方法势在必行。

近年来，低空无人机遥感技术的快速发展，为用户提供了一种快速数据采集、处理、分析应用为一体的新型测绘方式[1] ;无人机航测系统智能化高、机动性强、影像分辨率高、成本低的优点为海洋测绘覆盖高危地区提供了可能，在海洋测绘领域的应用越来越广泛。结合海图数据丰富的海图要素信息，采用无人机技术更新海图陆域要素和近海海图是一项具有开拓意义的课题，为近海航海保障、港口规划及海图修编提供了新的手段[2]。

本文利用纵横CW-10C免像控无人机航测系统，在东山湾海岸带区域进行了1：1 000比例尺航测试验研究，通过免像控系统解决了近海养殖区和海岸地形复杂不利于布设像控点以及养殖区缺少地面控制点的难题，通过试验分析无人机影像在近海养殖区和海岸带测量中的精度及可靠性。本研究可为后续的东山湾、厦门湾海图更新测绘提供新的思路。

1 免像控无人机航测系统

大鵬CW-10C 1：500免像控航测系统是集成纵横大鹏无人机科技有限公司CW-10C垂直起降固定翼无人机、后差分GPS，及讯图科技有限公司天工免像控航测数据处理软件的完整解决方案。具有航线自动生成、自主起降及飞行控制、飞行状态实时监控、高精度POS数据生成、现场数据质量检查、一键式免像控空三解算等功能，主要应用于海岛、海岸带大面积区域基础地理信息数据采集、海岸工程动态监视监测、数字城市建设、国土资源调查、地质环境勘察、灾害应急处理等多个领域，是传统航空摄影测量手段的有力补充。主要由地面控制站、天线、飞行器（含自动导航系统及机载图像采集设备）等部分组成，如图 1所示。性能参数见表1 。

2 研究区域概况

2.1研究区选取及区域概况

本研究选取福建沿海东山湾，位于东山县铜陵镇和漳浦县古雷半岛之间，三面临海，是福建省重点的海水渔业养殖区，主要养殖方式有筏式养殖、插杆养殖、漂浮结网式养殖，测区北面为高山，南面为沙滩、礁石和养殖区，地势起伏大，地貌类型多样，如图2所示。由于港口的快速发展，港区海图及陆域要素的及时更新为船舶的安全航行提供重要保障，但是采用常规测量方式效率低下，特别是港区养殖遍布，测量船舶无法进入，为测量船舶的安全航行造成威胁，属水深测量和陆域地形测量的高难度作业区[3]。

通过免像控航测系统，能够解决海上养殖区像控点布设的难题，通过POS系统辅助航空摄影测量获取高精度三维位置和姿态信息，实现免（少）像控高精度成图，获取海上养殖区范围和陆域地形数据，为水深测量测线布设提供准确参考，极大地提升了海图测绘的效率和安全性。

2.2 工程实施

本次试验项目测区面积3.72 km2，航测面积约4.2 km2 ，为了在高低平潮约90 min时间内一个架次飞完所有面积，选择纵横CW-10C无人机航测系统。航线设计各参数为：焦距36 mm、像元大小4.52 um、幅面大小7 952×5 304像素、地面分辨率4 cm、相对航高309 m、航向重叠度80%、旁向重叠度70%、基线234 m、航线间隔252 m、航线数量32条、航线总长度53 km、航线方向与潮水涨退潮方向平行。具体参数见表2，技术流程如图3所示。

2.3 方案设计和航空摄影

无人机航测方案设计是航测外业的关键环节，主要包括任务方案制定、地面分辨率及航高设计、航线规划等。根据任务要求、试验区位置及无人机飞行安全，设计航摄任务的具体参数和无人机进场点和离场点，航摄时间选择晴朗，微风云少，阳光充足的天气，适合无人机进行航摄作业。本次航拍日期为2020年7月8日，飞行高度为309 m，共飞行1个架次，飞行面积为4.2 km2，航测比例尺拟设1：1 000。

航摄影像成像条件较好，满足影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，影像上未出现云、云影、烟、大面积反光、污点等缺陷;能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。

外业成果资料通过武汉讯图GodWork-FlyChecker天工无人机飞行质量软件进行详细的飞行质量检查。根据低空数字航空摄影规范，软件对像片重叠度，像片旋偏角，航高保持，这三项做了检查。本次飞行平均航向重叠度为77.2%、向重叠度为：67.5%、平均像片旋角为2.6°。

从飞行质量检查报告可知，外业像片质量符合《低空数字航空摄影规范》（CH/Z 3005-2010）“7 飞行质量与影像质量要求”的有关规定。

2.4 检查点测设

纵横CW-10C免像控无人机航测系统包括后差分GPS系统、GodWork-FOC免像控航测后处理软件系统，以航空影像、差分GPS信息为源数据，无需地面控制点，即可达到1：500航空摄影测量空三精度要求以及测图精度规范要求。

由于实验研究区多为养殖区和水域，水域面积较大导致像主点落水问题严重，为了检验数据精度，试验开始前沿着岸线和海上养殖区采集比较明显的特征点作为检查点，检查点选择道路斑马线角点、人工布设像控标志、岸线具有明显色差的地物特征点处，采用GPS RTK平滑多次测量的方式，取平均值作为最终检测坐标成果。此次试验共采集陆域（岛屿）检查点21个，水域检查点17个，均为平高点。

2.5 空三加密和数据采集

空三加密指通过内定向、相对定向、公共连接点转刺来构建空间三角网，并按严密数学模型进行区域整体平差[4]。空三平差前先对内业加密点进行检查。此次航摄时间约60 min，航摄相片的曝光间隔约1 s，相邻像片的同名像点位移0.3 cm，航带间同名像点最大位移27 cm。

经GodWork-FOC免像控航测后处理软件进行平差处理，此次试验内业加密点平面最大中误差为11 cm，高程最大中误差14 cm，满足《规范》对1∶2 000相对定向要求。生成的DOM和DEM如图4所示。

3 精度分析评定

精度评定包含地理精度评定和数学精度评定两方面[5]。地理精度评定采取外业巡视的方法对图面地理要素的正确性及数据完整性、综合取舍的合理性、接边质量等进行检查。数学精度评定采取野外实测检查点并对比图上同名点坐标，为检测航测成果精度，对全路线进行抽样检测。机载POS系统辅助航空摄影测量技术免像控测图关于绝对定向与区域网平差中基本定向点、检查点的最大限值要求按《数字航空摄影测量空中三角测量规范》，见表3。

选取本次试验中的38个检查点，利用点位中误差公式计算出各个检查点的平面、高程中误差方式进行，中误差采用同精度检测方法，中误差计算公式为：

（1）

（2）

式中，M 为成果中误差;n为检测点（边）总数;将实际检测点与DOM、DEM數据分别进行比较，精度统计见表4。

结果所示，38组检查点平面中误差为0.113 m，高程中误差为0.082 m，精度满足1：1 000航空摄影测量要求。无人机航空摄影测量精度的误差来源主要来自飞行系统姿态传感器精度、定位系统精度、飞行高度和飞行速度[6]，为了提高航测精度，在机载传感器满足要求的前提下，需严格设计无人机飞行的速度和高度。

3 结 语

无人机航测技术的快速发展，特别是免像控技术的发展，通过硬、软件结合的方式，为海岸带地形测量、近海海洋测绘提供了一种新的外业数据采集作业模式和解决方案，降低了外业工作的劳动强度，大大提高了作业效率和外业作业安全，实际测量实践表明，无人机航测系统可以满足业务化生产作业的要求，具有较好的实用性，与常规测量相比较，有以下优点：

（1）测量精度高：通过试验验证，无人机免像控航测系统理论和实际精度都能够满足规范要求，无人机低空航摄平台不受浪涌的影响，作业过程中姿态传感器能够保持良好的稳定性，而且可以搭载高精度数码成像设备，分辨率达到厘米级。

（2）测区适应能力强：免像控无人机航测系统具有响应速度快、操作简单，可以在较短时间内获取航拍数据，并且采用免像控系统，对于海岛、基岩海岸、养殖区范围等难以施测得区域，采用免像控无人机测量，可以不受地形限制，极大提高了海域地形的测量效率。

（3）操作简单可靠：无人机飞行操作自动化、智能化程度高，无人机能够按既定航线自主飞行、拍摄，人工干预少，故障能够自动诊断警示，便于培训和掌握[7] 。

随着无人机航测技术研究不断深入，免像控系统进行产业化应用推广，必将改变长期以来无人机航测严重依赖地面控制点的情况，将对无人机航空摄影测量带来深远影响。免像控无人机航测系统仍然具有很大的性能提升空间，通过采样频率的提高和姿态传感器的精度优化[8] ，免像控航测系统才能够适应更精细的地形测量要求。

参考文献

[1] 郭忠磊，翟京生，张靓，辛宪会，闸旋.无人机航测系统的海岛礁测绘应用研究[J].海洋测绘，2014（04）.

[2] 雷伊娉，李学恒，雷静，刘雯婷.基于无人机平台的海域监管关键技术及其应用[J].海洋开发与管理，2019（12）.

[3] 蔚广鑫，洪建胜，王伟斌.无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用初探[J].应用海洋学学报，2017（01）.

[4] 张凯，张好运，卢旭升，游画，薛彬，翟京生.无人机海岛礁航空摄影测量技术应用[J].测绘通报.2018（09）.

[5] 廖晓和.无人机航测技术在海产养殖证据保全中的应用[J].城市勘测，2020（03）.

[6] 闫静，张彩云，张永年，李雪丁，张宁，江山，商少凌.基于无人机遥感技术的港湾养殖区监测[J].厦门大学学报（自然科学版），2016（05）.

[7] 董国红.轻小型无人机POS系统海岛礁无控制测图技术研究[D].辽宁工程技术大学，2015.

[8] 李亚东，贾俊强，刘会宾，王晓彤.免像控无人机在河道大比例尺测图中的应用[J].水运工程，2019（S2）.