《Sustainability》：Integration of UAV Photogrammetry and GIS for Digital Elevation Modeling in Urban Land Use Planning
Olha Kulikovska,
Ihor Kolb,
Oleksandra Kovalyshyn,
Pavlo Kolodiy,
Roman Stupen,
Karolina Trzyniec,
Vyacheslav Vasyuk and
Taras Hutsol
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本研究针对城市地形建模精度不足的挑战，提出并验证了一套整合无人机(UAV)摄影测量、地理信息系统(GIS)与大地测量基准的流程，成功生成了高精度数字高程模型(DEM)，垂直均方根误差(RMSE)达~0.25米，可为1:1000-1:2000比例尺城市规划及水文分析提供可靠空间数据基础。
城市是现代人类生活的主要舞台，其可持续发展依赖于科学的规划与管理。然而，随着全球城市化进程加速（年增长率约2.2%），超过一半的人口聚居在城市，这对城市空间的合理组织、环境影响的评估及基础设施的优化提出了前所未有的高要求。在这些工作中，准确描绘城市地形的“骨架”——即高精度数字高程模型(DEM)，是进行用地适宜性分析、排水系统设计、洪涝风险评估等一系列规划决策的基础。传统获取DEM的方法，如卫星遥感或载人航空摄影，在复杂的城市环境中常常“水土不服”，其空间分辨率、时效性或经济性难以满足精细化管理的需求。近年来，无人机(UAV)技术的飞速发展为解决这一难题提供了新的可能。它灵活、高效，能以厘米级精度“俯瞰”大地，但其产生的海量数据如何与现有的地理信息系统(GIS)及国家测绘基准无缝融合，并经过严格精度检验，使之成为城市规划者可信任的工具，仍是一个待深入探索的课题。
为了回答上述问题，一组来自乌克兰的研究人员，以利沃夫国家环境大学杜布拉尼校区为例，开展了一项整合UAV摄影测量与GIS技术用于城市DEM生成与验证的研究。他们的目标是建立一套可重复、高精度的工作流程，为城市规划提供可靠的地形数据基础。这项研究最终发表在国际期刊《Sustainability》上。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，利用DJI Phantom 4 Pro和Mavic 2 Pro无人机，在330米和380米两个飞行高度，对约63.4公顷的研究区进行了多区块航空摄影，获取了632张厘米级地面采样距离(GSD)的影像。其次，布设并利用了一个由67个点组成的地面控制点(GCP)网络，该网络坐标基于乌克兰国家坐标系(SK-63)和波罗的海高程系1977，并利用全球导航卫星系统(GNSS)进行了现代化更新，转换至WGS84椭球和USC 2000坐标系。第三，采用了基于区域大地水准面模型（GEOID_UA_XGM2019和Geoid EGM08_11 for Ukraine）的高程校正，将GNSS测量的椭球高转换至正高（正常高）。最后，使用Pix4Dmapper软件进行摄影测量处理，生成密集点云、数字表面模型(DSM)和正射影像，并利用独立的大比例尺（1:2000）地形图数据对最终生成的DEM进行统计验证，以评估其垂直精度。
研究结果
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研究区域概况：研究区位于乌克兰杜布拉尼，是利沃夫国家环境大学的主校区，占地53.08公顷。地形为丘陵地貌，高程在217米至280米之间，区内高差16.6米。校园被一条冲沟分割，包含公园、建筑和溪流，土地利用覆盖(LULC)类型多样，地形复杂，是验证城市DEM生成方法的理想场地。
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数据获取与处理流程：研究遵循一个结构化的四阶段工作流程：(1) 获取UAV影像和地面控制数据；(2) 摄影测量处理和点云生成；(3) 使用大地水准面模型进行高程校正；(4) DEM的独立统计验证。该流程强调与国家大地测量参考框架的兼容性，确保了UAV数据能够整合到现有的空间规划系统中。
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大地测量与高程基准统一：研究发现，在乌克兰东部欧洲背景下，将UAV数据与遗留的国家坐标系（如SK-63）和档案制图资料整合是一大方法学挑战。为此，研究采用了区域大地水准面模型GEOID_UA_XGM2019进行GNSS椭球高到正常高的转换，以消除因坐标系统和垂直基准面不同引入的系统误差，确保DEM在国家测绘框架内的准确性。
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地面控制与摄影测量区块：研究表明，密集且分布合理的地面控制点(GCP)网络对于UAV摄影测量至关重要。研究利用了校园内现有的67个测量点，并对其进行了GNSS现代化更新，为影像几何校正提供了高精度控制。通过规划多个摄影测量区块并保证足够的影像重叠度，确保了三维模型重建的精度和完整性。
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DEM精度验证：研究的核心成果是对生成的DEM进行了严格的独立验证。通过将UAV衍生的DEM高程值与来自1:2000比例尺地形图（研究区的“黄金标准”数据）的检查点进行对比，计算了垂直误差。结果显示，DEM的垂直均方根误差(RMSE)约为0.25米。这一精度水平证实了该UAV衍生的DEM适用于大比例尺（1:1000–1:2000）制图和城市空间分析应用。
研究结论与意义
本项由Olha Kulikovska, Ihor Kolb, Oleksandra Kovalyshyn, Pavlo Kolodiy, Roman Stupen, Karolina Trzyniec, Vyacheslav Vasyuk 和 Taras Hutsol共同完成的研究，成功开发并验证了一套用于城市地区高精度数字高程模型生成的方法学框架。该框架创新性地整合了UAV摄影测量、GIS以及国家大地测量基准和区域大地水准面模型，并辅以严格的独立统计验证。
研究表明，DEM的最终精度强烈依赖于细致的飞行规划、地面控制点的分布密度以及混合自动-手动点云精化处理。在复杂的城市地形条件下，仅实现高水平的水平精度相对容易，而垂直精度的优化则对飞行几何和传感器校准更为敏感。本研究通过引入区域大地水准面校正，有效解决了将UAV数据与既有国家测绘体系整合的难题，确保了高程数据在统一基准下的可比性和可用性。
这项研究的重要意义在于，它将DEM的生成本身作为一个需要严格控制质量和验证的独立地理空间产品来对待，而不仅仅是后续应用建模（如洪水模拟）的数据准备步骤。其产生的垂直精度约0.25米的DEM，为城市规划、工程测量、水文分析（如地表径流评估和洪水风险区划）以及空间数据基础设施发展提供了可靠的一手空间数据基础。该工作流程具有可重复性和成本效益，为其他具有类似复杂地形和测绘背景的城市区域进行高精度地形建模提供了可借鉴的范例。最终，高质量的地形数据是支撑可持续城市发展、预防因忽视地形形态和排水条件而导致的洪涝等基础设施灾害的关键。
