无人机航空摄影和全数字立体利用技术在江西永泰航电枢纽工程中的应用

人民珠江２０１１年增刊１・ＰＥＡＲＬ　ＲＩＶＥＲ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—９２３５．２０１１．０６．００３　

无人机航空摄影和全数字立体利用　

技术在江西永泰航电枢纽工程中的应用　

张永，李　奇，陈淼新，袁树才　

（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东　广州　５１０６１０）　

摘要：近年来，在测量领域运用了先进的数字航空摄影测量技术，无人机航摄系统软硬件技术难点不断突破，已　

达到实用化阶段，江西永泰航电枢纽测量工程利用了无人机摄影成图技术。以永泰航电枢纽工程为背景，以Ｖｉｒ—　

ｔｕｏＺｏ数字摄影测量系统制作地形图及正射影像图为研究对象，详细分析了地形图及正射影像图的制作流程和方　

法，可以用于指导生产实践，希望研究能够对于从事相关工作的同行具有一定的参考价值和借鉴意义。　

关键词：ＶｉａｕｏＺｏ；ＰＡＴＢ；无人机；数字航空摄影；航电枢纽　

中图分类号：Ｐ２３１．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－９２３５（２０１１）ｓ（１）－０００８－０５　

目前期任务紧，工作量大，采用无人机搭载数码相机Ｃａｎｏｎ　

ＥＯＳ　５ＤＩＩ进行航拍成１：５　０００地形图及正射影像图。　

２测区航摄资料情况　

测区位于江西新干县，包含平地和丘陵地两种地形，其　

中大部分是平地，航飞面积１６０　ｋｍ　，航飞区域６个，共布设　

４４条航线，１　７８４个立体像对，航片的航向重叠７０％，旁向重　

叠３６％，像片倾斜角＜５。，像片旋偏角＜１５。，航线弯曲度为　

３％。测区共用了３种相机拍摄，其中１、３区域相机焦距为　

３５．５７５　ｍｍ，２区域相机焦距为３５．５８６／ｉｒｍ，４、５、６区域相机　

焦距为３５．５８４　ｍｍ；像幅大小为３６　ｍｍ×２４　ｍｍ，平均航摄比　

例尺１：２０　０００。测区４、５区域航摄轨迹图见图１。　

Ｖｉ￣ｕｏＺｏ全数字摄影测量系统，具有基本数据管理、定向　

计算、快速影像匹配处理，到自动化生产４Ｄ产品的实用功　

能，可以测绘各种比例尺数字线划地形图（ＤＬＧ），数字高程　

模型（ＤＥＭ），数字正射影像图（ＤＯＭ）和数字栅格地图　

（ＤＲＧ）等全线测绘产品。其中ＶｉｒｔｕｏｚｏＡＡＴ—ＰＡＴＢ是自动　

空中三角测量系统，而ＰＡＴＢ是目前最著名、应用最广泛的　

光束法区域网平差软件包。　

１工程概况　

江西永泰航电枢纽工程为樟树市“十二五”航道重点工　

程，工程总投资为２８亿元。永泰航电枢纽建设工程将成为　

泰和以下Ⅲ级航道高标准贯通的关键控制性工程，打通当前　

万安一樟树航段的瓶颈制约，可常年通航１　０００　ｔ级船。本项　

图１永泰４、５区域航摄轨迹图　

收稿日期：２０１１—０６—０２　

作者简介：张永，男，安徽灵璧人，主要从事ＧＰＳ、ＧＩＳ研究与生产工作。　

８　

航线按顺河道方向布设，设计高度为１　０００　ｍ，实际飞行　

高度为１　１００　ｍ，飞行高度和基高比满足设计要求，分辨率　

０．２　ｍ满足规范要求。　

３外业像控点布设方案及施测　

求为ｌ：５　０００地形图及正射影像图，为满足成图精度要求，航　

线按每４条基线布设１个平高控制点的间隔进行航线布点，　

旁向按每２条航线布设一排平高控制点的方案进行布点，以　

确保每条航线都有一排外业平高控制点，且点与点之间的间　

隔均为４条基线。测区共布４８０个像控点，像控点布设情况　

见图２。　

３．１像控点布设方案及选刺要求　

像片控制点分为平面点、高程点及平高点，本测区所有　

像控点皆为平高点。根据工程项目用图需要，本工程成果要　

图２部分像控点布设示意图　

像控点选刺原则：①要满足成图精度要求；②像控点宜　

布设在影像清晰的明显地物上，如明显地物转折点上或影像　

小于０．２　ｍｍ的点状地物中心；③像控点位置距像片边缘要　

大于１～１．５　ｃｍ；④像片上刺点空孔小于０．１　ｍｍ；⑤像控点　

宜选在交通便利的地方。　

现场刺点确认无误后，在像片背面进行整饰，以刺点中　

心为圆心，画制直径为２—３　ｃｍ的圆圈。在刺点处绘制点位　

略图，标注点名并进行文字说明。像控点选刺情况见图３。　

图３像控点选刺示意图　

３．２像控点测量　

像控测量是指根据相片在内业设计布点方案并选定能　

在实地观测的地物特征点，在实地根据划定影像的灰度和形　

ＣＯＲＳ网络ＲＴＫ作业法，既提高了像控测量效率，又有精度　

保证。　

为了求得工程实地坐标和高程，首先进行野外点校正，通　

状确定像控点的位置，联测求解该点三维坐标的过程。　

像控点施测方法有很多种，如三角测量、导线测量、ＲＴＫ　

测量、ＧＰＳ静态测量等。由于本项目涉及范围大、时间紧，采　

过和已知点进行联测来求解转换参数，确定坐标转换关系后，　

可实时测得像控点的实地坐标和高程。现场像控点测量分为　

３个作业班组，每组２人（包括司机），每组可完成１５点／天，测　

用上述方法速度较慢，满足不了生产任务要求，因此采用Ｊｘ—　

区共布设了４８０个像控点，ｌ０个工作日即完成，比常规方法效　

９　

率提高ｌ倍，而且利用ＣＯＲＳ测量精度分布均匀。　

４　ＶｉｒｔｕｏＺｏＡＡＴ—ＰＡＴＢ空中三角测量　

仪技术参数资料、飞行记录资料、测区内现有小比例尺地形　

图、区域网外业像片控制点点位略图、区域网外业像片控制　

点成果表、区域网外业像片控制点刺点片等。　

４．２．２空中三角测量过程　

ａ）建立测区。完成测区参数设置，主要包括测区文件建　

立、加密点文件、相机文件的建立等。　

ｂ）设置。主要引入控制点和影像，包括影像旋转，最终　

空中三角测量是航空摄影测量中的重要部分，进行空中　

三角测量的目的就是为影像纠正、数字高程采集和航测立体　

测图人提供定向成果，空中三角测量的最主要的成果就是像　

片定向点大地坐标和像片外方位元素。　

空中三角测量主要涉及资料准备、内业加密点的选点观　

测、相对定向、空中三角测量平差计算、区域网接边、质量检　

生成适普影像压缩格式Ｖｚ文件。　

查和成果整理与提交７个主要环节。　

４．１　ＶｉｒｔｕｏＺｏＡＡＴ—ＰＡＴＢ介绍　

ＶｉｒｔｕｏＺｏＡＡＴ是自动空三量测模块，可以半自动量测控　

制点，内定向、选取加密点、加密点转点、相对定向、模型连接　

和生成整个测区像点网都可以自动完成。ＰＡＴＢ光束法区域　

网平差程序具有高性能的粗差检测功能和高精度的平差计　

算功能，是目前国际上公认的著名平差软件。上述两个软件　

的优点结合在一起形成功能强大自动空三软件ＶｉｒｔｕｏＺｏＡＡＴ　

—

ＰＡＴＢ。　

４．２作业流程　

针对无人机航空摄影而言，由于像幅较小，ＶｉｒｔｕｏｚｏＡＡＴ　

自动化空三加密优势发挥不了作用，本工程采用手动交互式　

编辑进行作业。作业流程见图４。　

资料准备　

创建测区　　＿

ｒ　

上　、　

创建相机文件　影像格式转换　创建控制点文　

创建测区影像列　

自动内定向　

手动交互式编　

调用ＰＡＴＢ挑粗　

量测控制点　

一

Ｉ　

连接点编辑　ＴＢ平差＞　

丫　

输出加密点　

图４空中三角测量作业流程　

４．２．１资料准备　

空中三角测量的资料准备主要包括：像片索引图、航摄　

１０　

ｃ）建立影像列表。按航带号导人对应影像，并进行像片　

像素设置和相机文件导入。　

ｄ）内定向。主要完成建立框标模板、自动内定向、检查　

自动内定向结果３项工作。一般像片框标坐标量测误差要　

求小于０．０２　ｍｍ。　

ｅ）交互式编辑。主要完成手动加航带间连接点，手动加　

像片同名点，包括五度重叠及六度重叠点。手动加点虽然速　

度慢，但可以提高加密的精度。　

图５手动加航带间连接点　

图６单张像片手动加点　

图７手动加密点后点位分布图　

ｆ）加入控制点，调用ＰＡＴＢ平差程序进行平差计算，首先　

在Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｆｅａｔｕｒｅ里选择粗差探测，在每张片子上挑出一个　

像点进行模拟计算，将大粗差点和边缘点删除或编辑，然后　

重新计算，再删除或再编辑，如此反复，直到挑不出大的粗差　

点，编辑点比较费时问而且需要耐心和细心，所有粗差点编　

辑完成满足加密点要求后，再进行精细平差。　

平差计算不一定都能收敛，或者控制点误差大大超过限　

差值，经过探索分析主要有以下几方面原因：①控制点坐标　

系反了，可以将控制点文件　、ｙ值互换后再计算；②控制点　

坐标文件（ＧＲＤ）中有同名点；③有些控制点有很大的误差或　

错误，比控制点中误差（０．２０　ｎ１）大几十或几百倍，这样ＰＡＴ　

—

Ｂ计算迅速发散，挑不出这些错点。　

ｇ）生成加密成果。到此，空三精度报告完成，见图８。　

ｕｉｒｔｕｏｚｏ　ＡＡＴ　ＡｄｊｕｓｔＯｕｔ　Ｂｐ　Ｒｉｄｇｅ　Ｗａｎｇ　ＳｕｐｒｅｓｏＦｔ　Ｉｎｃ．　２０１１／ｍ５ｔ２２　１７：１５　

：

：　

：

：

Ｄ：、永泰４—２、永泰４—２　

｜．　

１６ｔ　

８２０　

１３５５　

：

：ｍｚｃｒｏｎ　

：ｍｅｔｅｒ　

塞霸蠢　荤囊　误：　差ＳＸ：；　＝０．１２９１１．　８４２８（ＮｘＯｏＳＹ．１３２＝ｅｇ）　）０　．２２４　ＳＺ＝０．１３８　

：　

３．２５（ｍ．１１７）　

２．｜．｜｜（Ｈ０．８）　

图８自动空三精度报告　

５立体测图与ＤＥＭ、ＤＯＭ生成　

５．１立体测图　

如山头、鞍部、坑穴、路的交叉等；地势平坦区要求采集点要　

均匀。对于植被采集进行了立体判读、参照外业调绘资料相　

互结合的方式进行植被上图。　

经现场断面点检查知，立体测图平面精度为±０．２　ｍ，高　

程精度稍差。　

５．２　ＤＥＭ和ＤＯＭ生产　

立体采集使用Ｖｉ￣ｕｏＺｏ全数字摄影测量工作站完成。　

模型定向采用空三自动恢复模型进行立体测图，Ｖｉ￣ｕｏＺｏ工　

作站具备实时核线、无缝漫游、自动模型切换的特点，提高了　

立体测图效率。　

立体测图和常规野外测图一样，分为地物的采集和地貌　

的采集。地物采集宜先采集道路、管线、地类界等线状地物，　

然后是居民地和独立地物。河流、沟渠的宽度在图上大于１　

ｍｍ时依比例尺采集，否则，用单线按中心线采集表示。　

在自动相对定向、绝对定向、核线重采样、影像匹配做完　

后，设置好ＤＥＭ格网间隔、ＤＯＭ的地面采样距离ＧＳＤ及成　

图比例尺，利用ＶｉＲｕｏＺｏ可自动批量生成ＤＥＭ和ＤＯＭ。数　

字高程模型（ＤＥＭ）的生产环节主要包括定向建模，特征点、　

地貌主要由高程注记点和等高线描绘配合地貌符号构　

成。高程点采集尤为重要，特别是初学立体测图者，高程点　

往往采集误差较大。要求图内所有地形变换点均测注高程，　

线采集，构ＴＩＮ内插ＤＥＭ，ＤＥＭ数据编辑，ＤＥＭ数据接边，　

ＤＥＭ数据镶嵌与裁切等。　

数字正射影像图（ＤＯＭ）的生产环节主要包括色彩调　

１１　

整、ＤＥＭ采集、影像纠正、影像镶嵌、图幅裁切等５个环节。　

６结语　

参考文献：　

［１］韩志晟．浅谈无人机低空摄影测量在南水北调工程中的应用　

［Ｊ］．数字通信世界，２０１１（２）．　

ＶｉｒｔｕｏＺｏ数字航空摄影测量数据处理技术在江西永泰航　

电枢纽工程中得到成功应用，使测量效率得到了明显的提　

高，大大减少了外业工作量，有很大的推广应用价值。Ｖｉｒ－　

ｔｕｏＺｏ的软件优势在于自动化程序比较高，但对于无人机小　

幅影像的处理，自动化的优势得不到体现，还需靠手工加点。　

在使用过程中发现ＶｉｒｔｕｏＺｏ仍然有一些不完善的地方，　

［２］适普公司．自动空中三角测量软件ＶｉｒｔｕｏＺｏ使用手册［Ｍ］．２００２．　

［３］国家测绘局职业技能鉴定指导中心．注册测绘师资格考试辅导　

教材［Ｍ］北京：测绘出版社，２００９．　

［４］高琼，彭维吉．ＶｉｒｔｕｏＺｏ　ＡＡＴ在自动空中三角测量中的应用［Ｊ］．　

黄河水利职业技术学院学报，２００９（４）．　

［５］孙红菊．航空摄影测量数字化测图采集方法探析［Ｊ］．中国地名，　

２０１１（２）．　

如生成的立体模型高程精度相对较低、软件运行有时不稳　

定、对加密点要求非常高，需要人工精确加很多点才能满足　

平差要求，费时费力、还不具备批量拼接ＤＯＭ的功能等，有　

待进一步完善。　

（责任编辑：程茜）　

（上接第５页）　

４结语　

达方法进行数据采集。　

参考文献：　

基于航测与遥感技术三维建模已在城市管理、水利水　

电、公路与铁路规划、国土、规划方案选定以及运营管理中广　

泛应用，并取得优良的效果。该技术的应用具有良好的　

前景。　

［１］杨必胜，李清泉，龚健雅．一种快速生成和传输多分辨率三维模　

型的稳健算法［Ｊ］．科学通报，２００６（１２）．　

［２］张顺谦．遥感影像三维可视化研究［Ｊ］．气象科技，２００４（８）．　

［３］冷志光，汤晓安，郝建新，等．大规模地形动态快速绘制技术研究　

［Ｊ］．系统仿真学报，２００６（１０）．　

［４］韩玲，李斌，顾俊凯，等．航空与航天摄影技术［Ｍ］．湖北：武汉大　

学出版社，２００８．　

ｆｉｌ１）大范围，精度要求不高的工程项目，可采用航天遥感　

方法进行数据采集。　

ｂ）小范围，高程精度要求不高的工程项目，可采用低空　

无人机摄影测量方法进行数据采集。　

ｃ）城市三维建模可采用倾斜摄影测量或者激光雷达方　

法进行数据采集。　

ｄ）范围大，高程精度要求高的工程项目，建议用激光雷　

（责任编辑：张晓群）　

（上接第７页）　

５结语　

［２］魏二虎，黄劲松．ＧＰＳ测量操作与数据处理［Ｍ］．武汉：武汉大　

学出版社，２００４　

总之，随着全国的连续运行参考站的陆续建立，ＣＯＲＳ　

技术必将应用于工程测量的方方面面，极大地提高生产效　

率和产品精度。并随着网络ＲＴＫ定位技术的不断改进，　

ＣＯＲＳ测量以其精度高、速度快、通用性强以及经济效益好等　

优势，必然会在整个测绘领域得到更为广泛的应用，占据越　

［３］张勤，李家权．ＧＰＳ测量原理及应用［Ｍ］．北京：科学出版　

社，２００５．　

［４］徐绍铨，张华海，杨志强，等．ＧＰＳ测量原理及应用［Ｍ］．武汉：　

武汉大学出版社，２００１．　

［５］孔祥元，梅是义．控制测量学［Ｍ］．武汉：武汉测绘科技大学出　

版社，１９９６．　

来越重要的位置。　

（责任编辑：郑

参考文献：　

斌）　

［１］王之卓．摄影测量原理［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００７　

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