摘 要：無人機(jī)低空航測(cè)技術(shù)可以迅速、高效、準(zhǔn)確的獲取影像信息，已經(jīng)成功應(yīng)用重大項(xiàng)目建設(shè)、城市規(guī)劃管理、政府決策等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)進(jìn)行1 500數(shù)字航測(cè)外業(yè)航飛技術(shù)路線、內(nèi)業(yè)空三加密、立體測(cè)圖等技術(shù)流程，結(jié)合武漢市東西湖區(qū)新溝鎮(zhèn)實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，分析了作業(yè)過程中的關(guān)鍵方法并進(jìn)行精度檢查，結(jié)果表明可生成平面精度約為10cm 的正射影像圖，數(shù)字線劃圖也符合大比例成圖精度要求。本文結(jié)合實(shí)際分析處理方法的關(guān)鍵步驟，同時(shí)為1 500數(shù)字成圖提供一些借鑒和思考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；航空攝影測(cè)量；空三加密；立體測(cè)圖

0 引言

無人機(jī)航空攝影測(cè)量以其機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、效率較高、支持云層下作業(yè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于重大項(xiàng)目建設(shè)、城市規(guī)劃管理、政府決策等眾多領(lǐng)域。以無人機(jī)獲取的影像信息，完成正射影像(DOM)圖制作已較為成熟，由于DOM影像數(shù)據(jù)只包含二維坐標(biāo)信息，無法反映地物的真實(shí)高程信息。所以，利用相關(guān)高分辨率正射影像數(shù)據(jù)恢復(fù)三維立體模型完成1 500數(shù)字線劃圖(DLG)的制作，針對(duì)外業(yè)規(guī)劃核實(shí)測(cè)量、違法建筑監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)工作都具有借鑒意義。因此、本文針對(duì)無人機(jī)航攝數(shù)字測(cè)圖過程中若干關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)由飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、機(jī)載傳感器設(shè)備、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)等組成;概括來說，主要由高分辨率數(shù)碼相機(jī)、高精度POS(GPS/IMU)定位、定姿系統(tǒng)或者GPS定位輔助系統(tǒng)組成。

本文采用大鵬CW-10固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)，搭載SONY-ILCE7R相機(jī)以及POS平臺(tái)進(jìn)行測(cè)區(qū)試驗(yàn)，具體相關(guān)參數(shù)如表1所示。固定翼無人機(jī)相較于多旋翼無人機(jī)，抗風(fēng)能力相對(duì)較強(qiáng)，空中飛行姿態(tài)比較穩(wěn)定，價(jià)格相對(duì)低廉，因此比較適合于高精度低速航空攝影測(cè)量。

表1 無人機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)方法

本文根據(jù)實(shí)地調(diào)查的測(cè)區(qū)情況，結(jié)合現(xiàn)有資料以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)如下的無人機(jī)航攝技術(shù)路線，如圖1所示，其中外業(yè)調(diào)繪部分不作詳細(xì)論述，這部分根據(jù)甲方要求，如需實(shí)地調(diào)繪，再按照相關(guān)要求進(jìn)行實(shí)地外業(yè)測(cè)量工作。

圖1 無人機(jī)航攝技術(shù)路線

3 實(shí)例分析

3.1 測(cè)區(qū)概況

本次試驗(yàn)測(cè)區(qū)位于武漢市東西湖區(qū)，地處武漢市中西部，測(cè)區(qū)范圍約為4km2;由于地區(qū)處于武漢市邊緣地區(qū)，我院現(xiàn)勢(shì)1 500武漢市城區(qū)地形圖數(shù)據(jù)并未涉及，影像數(shù)據(jù)也僅更新至2015年，為了快速準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前該地區(qū)房屋現(xiàn)狀，用于下一步該地區(qū)的規(guī)劃決策，傳統(tǒng)的純外業(yè)測(cè)繪效率相對(duì)較低，因此利用無人機(jī)低空航測(cè)技術(shù)完成此次外業(yè)航飛任務(wù)，獲取該地區(qū)最新的影像數(shù)據(jù)。

本次無人機(jī)設(shè)計(jì)航線飛行方向?yàn)闁|西方向，相對(duì)航高為317m，航線重疊度為75%，旁向重疊度50%，像元大小為4.8um，影像地面分辨率為0.04m，有效架次1次，總共獲取579張照片，無人機(jī)由于搭載的是非量測(cè)相機(jī)數(shù)碼相機(jī)，其受地區(qū)和環(huán)境的影響較大;本地區(qū)周圍有水系，航攝影像會(huì)受到一定的影響，相片邊緣易產(chǎn)生相應(yīng)的畸變;因此在空三加密平差時(shí)，會(huì)針對(duì)上述情況，結(jié)合實(shí)際，選取合理的加密點(diǎn)，保證空三加密和正射糾正的精度。

3.2 數(shù)據(jù)處理軟件介紹

本文引入Agisoft公司開發(fā)的Photoscan軟件完成正射影像圖制作，使用Photomod軟件進(jìn)行影像空三加密平差，恢復(fù)立體像對(duì);結(jié)合全數(shù)字化測(cè)圖平臺(tái)Mapmartix軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化立體測(cè)圖，制作相應(yīng)的DLG數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

Photoscan是一款無人機(jī)影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件，軟件使用視圖三維重建技術(shù)處理照片，通過導(dǎo)入控制點(diǎn)生成具有真實(shí)地理參考以及詳細(xì)彩色紋理的三維模型和正射影像，生成精度約為5cm 的專業(yè)級(jí)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)。具體處理流程如圖2所示。

圖2 Photoscan 處理流程圖

本文使用GPS　RTK動(dòng)態(tài)量測(cè)所需像片控制點(diǎn)，可以同時(shí)獲取地物的平面和高程信息，由于無人機(jī)航空攝影要求影像重疊度大，基線較短，根據(jù)《1 500地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》，外業(yè)像片控制點(diǎn)布設(shè)要求沿航向、旁向分別布設(shè)，具體即為沿航向間隔500m布點(diǎn)，沿旁向間隔500m布點(diǎn)。

此次試驗(yàn)區(qū)共布設(shè)29個(gè)控制點(diǎn)，其中每個(gè)控制點(diǎn)均可以作為平高檢查點(diǎn)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供地理參考。此外，外業(yè)獲取的像控點(diǎn)坐標(biāo)一般為WGS84坐標(biāo)，本文為了方便利用已有成果資料，使用布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為1954北京坐標(biāo)系，進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并投影至武漢市本地中央子午線E114 。最終成果高程基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)分別為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)與武漢2000坐標(biāo)系。

空三加密是決定無人機(jī)航空攝影像成圖精度的關(guān)鍵步驟;本文分別使用Photomod軟件中Aerial　Triangulation(AT)和solver模塊進(jìn)行無人機(jī)影像空三加密和平差，具體流程如圖3所示，軟件通過判讀導(dǎo)入的控制點(diǎn)和量測(cè)的控制點(diǎn)之間偏差，基于Patb光束法嚴(yán)格平差，計(jì)算點(diǎn)位殘差，保證立體測(cè)圖所需像對(duì)的精度。

圖3 Photomod軟件空三加密處理流程

其后本文根據(jù)空三加密、平差恢復(fù)的影像立體像對(duì)，于數(shù)字化測(cè)圖平臺(tái)Mapmartix軟件進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)采集工作。軟件基于高速網(wǎng)絡(luò)圖幅方式的全無縫測(cè)圖，作業(yè)步驟包括建立工程、引入空三成果、分割模型、分配任務(wù)、客戶端進(jìn)行生產(chǎn)、客戶端成果上交等，具體流程如圖4所示。

圖4 Mapmatrix軟件處理流程

此外軟件不需要提前采集核線，可以采用實(shí)時(shí)核線進(jìn)行測(cè)圖;能根據(jù)外方位元素和影像重疊度自動(dòng)組合立體像對(duì)，生成最佳的交會(huì)角，提高測(cè)圖的高程精度;也支持自動(dòng)、手動(dòng)切換立體模型;通過這樣的工作方式，免除了模型接邊的工作，方便生產(chǎn)人員操作，提高了測(cè)圖的效率。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)GB/T15968-2008《遙感影像平面制圖規(guī)范》可知，DOM 地物點(diǎn)相對(duì)于實(shí)地同名點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于表2規(guī)定。特殊地區(qū)可放寬0.5倍，規(guī)定2倍中誤差為其限差。

無人機(jī)正射影像的幾何精度，可以采用影像與控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的套合檢查以及拼接線的檢查。本文利用Photoscan軟件可以快速利用多視圖影像對(duì)重疊照片進(jìn)行處理，生成的高分辨率正射影像，再利用Photoshop進(jìn)行勻色修補(bǔ)輸出單幅影像，由圖可知影像接邊處色彩過渡自然，地物接邊合理，人工地物完整，無重影和發(fā)虛現(xiàn)象，實(shí)際平面精度可達(dá)0.10m，滿足表2相關(guān)規(guī)定。

表2 DOM平面位置精度 (單位:m)

為后續(xù)優(yōu)化空三、三維建模提供精確的地理參考，本文在Photoscan軟件處理過程中導(dǎo)入的實(shí)測(cè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以基于照片對(duì)齊后生成的稀疏點(diǎn)云，創(chuàng)建的Mesh手動(dòng)更新照片上控制點(diǎn)標(biāo)記的位置，再借助軟件匹配提示，實(shí)時(shí)更新控制點(diǎn)在照片上量測(cè)的位置，如圖5所示。

圖5 更新每張照片控制點(diǎn)點(diǎn)位

表3 說明了每個(gè)控制點(diǎn)和估計(jì)位置間的偏差以及重投影誤差，為后續(xù)優(yōu)化空三、三維建模提供精確的地理參考。由表可知29個(gè)控制點(diǎn)的殘差三維RMS值為0.067mm;重投影誤差為0.016pix。

表3 控制點(diǎn)三維RMS

本文使用的原始的無人機(jī)單幅影像如圖6所示，由圖可知，影像顏色均勻，紋理清晰，亮度適中，圖像質(zhì)量良好，可以滿足測(cè)區(qū)項(xiàng)目的規(guī)劃實(shí)施，對(duì)應(yīng)區(qū)域的正射影像如圖7所示。

圖6 無人機(jī)單幅影像

圖7 對(duì)應(yīng)區(qū)域的正射影像

根據(jù)無人機(jī)航攝影像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，Photomod軟件可以自動(dòng)化進(jìn)行空三數(shù)據(jù)處理，本文根據(jù)《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》確定相關(guān)指標(biāo)精度，設(shè)定平差閾值，保證加密精度。加密之后的測(cè)區(qū)控制點(diǎn)平面中誤差約為6cm，高程中誤差約為8cm；滿足相關(guān)測(cè)圖精度要求。

根據(jù)生成的DLG 數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了房角控制點(diǎn)的平面精度和高程精度，如表4、表5所示。

表4 立體測(cè)圖平面精度 單位:m

表5 立體測(cè)圖高程精度 單位:m

由表4可知，立體測(cè)圖的平面精度較好，控制點(diǎn)平面中誤差為0.446m，高程中誤差為0.299m，平面精度優(yōu)于0.5m，高程精度優(yōu)于0.3m，滿足1 500地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范要求。

4結(jié)束語

利用無人機(jī)航攝的技術(shù)，通過有效的技術(shù)流程設(shè)計(jì)和內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理，最終成果可以滿足1 500數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像圖的精度要求，完成我院日常的生產(chǎn)研發(fā)等工作。但本文在研究的過程中發(fā)現(xiàn)處理流程中仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)。

首先、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)工作量較大，為了滿足大比例尺空三精度要求，需要研究結(jié)合測(cè)區(qū)的情況和飛行質(zhì)量，在保證精度的同時(shí)抽稀像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量，提高外業(yè)作業(yè)效率，研究最佳外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)方案。

其次、空三加密過程較為復(fù)雜，建立空中三角測(cè)量網(wǎng)，其精度易受到多種因素的影響：其一來源于像控點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)導(dǎo)致的參考點(diǎn)物方坐標(biāo)系與實(shí)測(cè)坐標(biāo)值之間的偏差;其二來源于相鄰立體像對(duì)連接點(diǎn)的坐標(biāo)的點(diǎn)位中誤差;其三來源于鄰近立體像對(duì)中心投影的物方坐標(biāo)的點(diǎn)位中誤差。空三加密的精度很大程度上決定了最終成果的成圖精度，所以有必要根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化空三加密方案，保證作業(yè)精度，同時(shí)減少作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。并且、正射影像圖精度受到作為地理參考的控制點(diǎn)精度、處理流程中的數(shù)據(jù)定向、刺點(diǎn)、點(diǎn)云提取、建模精度等多方面影響;Photoscan軟件雖然自動(dòng)化程度較高，但作業(yè)流程中關(guān)鍵操作失誤、參數(shù)設(shè)置不合理，仍會(huì)導(dǎo)致生成的影響精度不佳。

最后、利用Mapmatrix軟件立體測(cè)圖，作業(yè)員需要充分利用影像和基線匹配技術(shù)，及時(shí)調(diào)整作業(yè)方法，選取最佳測(cè)圖模型，才能保證DLG數(shù)據(jù)的精度。