無人機低空攝影測量技術在水電工程測繪的應用

尚海興,薛紹軍,雷建朝,黃文鈺,楊 剛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0018—05

無人機低空攝影測量技術在水電工程測繪的應用

尚海興,薛紹軍,雷建朝,黃文鈺,楊 剛

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

闡述了低空航測系統的發展現狀和系統組成，探討了利用該系統進行航測作業的技術流程，并進行DLG、DEM和DOM數字產品生產試驗，最后對成果進行精度評定和可行性分析，結果表明低空影像可用于小區域的大比例尺快速地形測繪。

低空影像；無人機；地形測繪；DOM

0 前 言

相對于航空航天遙感平臺，低空遙感平臺有著獨特的優勢。① 傳感器為小像幅數碼相機，作業成本低；② 無需申請空域，起降靈活,能實現快速測繪；③ 云下攝影，能夠獲取大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有著巨大的優勢；④ 影像重疊度高，有利于提高后續處理的可靠性。由于上述的諸多優勢，無人機低空攝影測量技術已成為大飛機與衛星遙感平臺的有效補充，特別適合較小面積測區的航空攝影測量，現已逐步從試驗研究走向生產應用[1]。

1 低空航測系統概述

圖1 無人機低空航測系統組成圖

無人機低空航測系統一般包括空中航攝系統、地面控制系統及數據處理系統，如圖1所示。無人機航測系統工作流程為：首先根據任務要求對測區進行航線規劃，地面控制子系統按照規劃的航線，借助自動駕駛儀控制無人機飛行和拍攝作業。空中攝影子系統將拍攝的數據進行存儲，無人機平臺利用無線傳輸通道與地面控制子系統交換數據，地面工作人員通過該數據實時監測無人機的飛行航線，并對飛行航跡做必要調整。飛行任務結束后，地面控制飛機降落，下載影像，并快速進行影像質量快速檢查，決定是否補飛。合格的影像轉入內業，借助攝影測量工作站進行測繪產品(DLG，DEM，DOM等)的生產[2]。

2 低空航測工作技術流程

低空航測作業流程可歸結為3個階段：準備階段、外業實施階段和內業數據處理階段，如圖2所示。

圖2 無人機低空航測工作技術流程圖

2.1 測區概況

測區為黃河上游某水電站，高原半干旱型氣候，測區西北部為高山區，西南部為水電站庫區(大面積水域)，中間黃河貫穿，東南部主要為村莊和農田，植被覆蓋較為嚴重，整個測區平均海拔2 000 m，最大相對高差300 m。本次作業主要完成覆蓋水電站以及附屬設施等區域的5.36 km2的1∶2 000(2 m等高距)比例尺DOM、DEM、DLG數據制作。

2.2 影像獲取

(1) 航高設計：測區影像獲取方式采用微型固定翼無人機搭載Canon EOS 450D單反相機,像幅大小4 272 pixel×2 848 pixel，像元大小5.20 μm，焦距24.308 mm。根據相對航高計算公式并兼顧精度與效率，攝影GSD(Ground Sample Distance)設為0.15～0.20 m[3]。考慮測區地形起伏較大，為滿足整個測區成圖精度滿足1∶2 000地形圖測圖精度，相對航高比理論航高較低，設為600 m。全區設1個航攝區，飛行了1個架次，平均地面分辨率為0.13 m。

(2) 航線設計：根據攝影區域地形情況、起飛場地情況、攝影分辨率、數碼航測新型解算理論(即多基線自動空中三角測量解算)，以及航片重疊(航向重疊75%～85%，旁向重疊45%～55%，旁向最少不小于30%)要求等要素，使用“微型無人機低空遙感系統”自帶程序進行自動航線設計，共布設11條航線。

(3) 航飛數據檢查：航飛后共計完成航空攝影面積7.4 km2，584張航片，及時下載航攝影像與POS數據，經測區全景圖快速拼接[4-6]進行航攝漏洞檢查，基于POS數據進行飛行質量評估。經檢查飛行質量和影像質量滿足文獻[3]的要求。飛行質量檢查：① 實際航攝影像覆蓋，航向超出范圍外1條基線，旁向超出范圍線大于像幅的15%；② 像片航向重疊大于60%，旁向重疊大于30%；③ 旋偏角一般小于10°。影像質量檢查：① 影像無重影、虛影；② 影像反差適中、層次豐富、能辨別與攝影比例尺相適應的細小地物影像，滿足外業全要素精確調繪和室內判讀的要求；③ 影像色彩飽和度適中，無暗影和光暈。

2.3 像控點的布設與測量

無人機航攝傳感器品類繁多，像控點布設密度的研究還未有較為成熟的理論。本次任務像控點布設方法根據文獻[2]中關于像控點航向基線數跨度估算公式，計算出理論基線數不超過4條。當連接點平面中誤差確定后，基線跨度與相機的放大倍率相關；當連接點高程中誤差確定后，基線跨度與基高比相關。

根據相關試驗[7]結論：當航向基線跨度數小于或等于6時，布設野外像控點進行區域網平差，其平面和高程精度均可達到規范[8]對1∶2 000丘陵地的精度要求；當基線跨度數大于6條小于24條，平面精度成果可用，高程精度不達標。

因本次任務地面分辨率優于相應規范要求，故像控點布設方案如下。

(1) 航向：5～7條基線布設，西側水庫邊緣可適當將基線跨度數降為4條。

(2) 旁向：平緩區隔航帶布設1個，起伏較大的西側逐航帶布設。

成圖區域面積5.36 km2共計布設像控點28個(如圖3所示)，其中山丘和林地中地物不明顯區域布設飛前地標式像控點18個，飛后選刺地物像控點10個。地標式像控點應置平在易尋找的空地，對空視角好，避免周邊樹木或建筑物遮擋。

根據規范[2]的要求，像控點測量的平面中誤差不超過地物點中誤差1/5，高程中誤差不超過基本等高距的1/10，根據壩址區已有GPS控制網成果，采用GPS-RTK測量模式進行像控點的測量。實測中采用2次取平均值的方法獲取最終觀測結果。

2.4 影像畸變改正

相對量測型航攝儀，非量測性單反相機存在較大影像畸變差，空三(空中三角測量)加密前需借助相機檢校文件對航攝原始影像進行畸變差改正，該步驟在無人機影像空三加密前處理十分必要。附加

圖3 像控點布設分布圖

參數的光束法平差中的系統畸變改正模型[9]如式(1)所示：

(1)

根據3個測區的數據試驗結果，對原始影像進行單文件畸變改正后的糾正文件參與平差的結果優于直接對原始影像進行附加參數的光束法平差的結果。

2.5 空三加密

低空影像重疊度大，空中三角測量時，每個地面點對應的像點觀測值較多，大量的多余觀測有利于觀測值的粗差探測和剔除[10]。光束法區域網平差以每張像片所組成的一條光束為平差的基本單元，以共線方程為平差基礎方程。如數碼相機檢校文件不準確，平差時需要將相機畸變參數作為未知數進行自檢校光束法區域網平差，如式2所示。

(2)

式中: x、y為以像主點為原點的像平面坐標；f為相機主距；X、Y、Z為物點的地面坐標；XS、YS、ZS為外方位線元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為外方位角元素表示的方向余弦。

低空影像在空三加密中，由于影像重疊度不均勻、旋偏角大、成片水域和植被覆蓋等原因，相對定向自動轉點的標準點位可能缺點，部分像片需要人工加點，另外庫區落水面積大于像幅1/2以上的影像剔除加密。

采用航天遠景DATMatrix2.0進行空三加密，相對定向精度不大于1/2像素，自動提取連接點后利用Patb粗差探測剔除粗差點。根據國家標準[8]對丘陵地基本定向點的平面位置和高程中誤差限差要求對本測區的地面控制點絕對定向精度統計如表1。

精度分析：從表1空三平差成果看，像控點平差結果平面坐標殘差均小于0.6m，高程殘差大部分不超過0.26m，因采用了隔航帶布點在高程控制上強度較弱，但基本滿足丘陵地1∶2 000比例尺成圖精度要求，為有效保證測高精度，宜采用逐航帶布設像控點，兼顧到效率，在精度較弱區域采集了少量高程散點作為高程控制點參與區域網平差計算來提高局部高程精度達到規范要求。另外攝區的特殊性在于地形起伏高達300m卻使用了同一航攝分區，如此會造成航攝比例尺不盡相同導致區域網平差精度分布不均。

表1 區域網平差像控點殘差統計表

圖4 DOM與DLG套合快速檢查圖

2.6 數字產品制作

2.6.1DLG制作

內業采編：立體測圖采用了航天遠景的FeatureOne特征采集平臺。為提高采集效率和精度，采用了等高線采集和地物調繪分別進行。FeatureOne提供了強大的圖形編輯功能，基本實現數字線劃圖的采編一體化。根據外業調繪片仔細辨認地物屬性，及時進行標記，以免遺漏。在森林覆蓋區域，先采集植被覆蓋縫隙裸露地面的高程點，在采集概略等高線，然后以采集的高程點作為地形控制點，修改概略等高線。最終將采集成果導入AutoCAD中進行編輯和圖層轉換。

2.6.2DEM與DOM制作

自動空三完成后即可借助MapMatrix4.1平臺通過自動匹配生產測區DEM。但因現實地物的復雜性，為了提高DEM的精度，需要對樹木、水域和人工地物進行人工編輯。

根據編輯的高精度DEM，可以對影像進行幾何糾正，在航天遠景EPT平臺下通過鑲嵌線自動搜索和人工編輯，并進行適當的色調均衡處理，自動鑲嵌處理成全區正射影像。對全區DOM進行圖廓整飾和圖面注記可制作正射影像掛圖。

DOM精度的目視檢查可通過與對應區域DLG套合檢查，基于AutoCADVBA編程實現測區DLG與DOM套合顯示,如圖4所示。

2.7 精度評定

為對DLG與DOM測圖精度進行有效檢查，在航飛后采集遍布測區有代表性的碎步點作為成圖精度檢查點，檢查點樣本在全測區分批次獨立獲取，具體精度統計結果如表2、3所示。

根據兩表的統計結果，無人機影像的DOM的平面精度是可以保證的，而高程精度在當前像控點的分布與密度前提下雖少數檢查點高程較差超限，但高程中誤差可達到國家標準要求。結果表明了低空航測系統在小范圍大比例測圖中的可行性。

表2 DLG高程精度統計表

表3 DOM平面精度統計表

3 結 語

低空航測作業流程的試驗表明，合格的低空影像可以滿足大比例航測成圖的要求，并取得合格測繪產品。根據空三加密結果，并結合DOM與DLG的檢查結果表明，像控點的布設密度除遵循行業標準外，在精度較弱地區加布高程散點可提高局部成果的高程精度；航攝比例尺的不均勻會導致空三加密精度的不均勻，故在高落差地區合理劃分航攝分區仍需考慮；無人機搭載相機多數為非量測型相機，影像畸變差改正對空三加密計算尤為重要，精準的相機檢校可有效消除上下視差。筆者認為加大無人機有效載荷可增強傳感器獲取信息能力，微型化高精度POS設備(如差分GPS)可有效減少外業像控工作量，這兩點可有效拓展無人機測繪的應用領域，將成為測繪型無人機的發展方向之一。

[1] 晏磊. 無人機遙感信息平臺建設與CMOS成像初步研究. “數字近景攝影測量”學術研討會[C].武漢: 武漢大學,2004.

[2]CH/Z3004-2010,低空數字航空攝影測量外業規范[S].北京：測繪出版社,2010.

[3]CH/Z3005-2010,低空數字航空攝影規范[S].北京：測繪出版社,2010.

[4] 尚海興,黃文鈺.無人機低空遙感影像的自動拼接技術研究[J].西北水電, 2012,(2):14-18.

[5] 狄穎辰.無人機圖像拼接算法綜述[J].計算機應用, 2011,31(1):170-173.

[6] 魯恒.一種基于特征點的無人機影像自動拼接方法[J].地理與地理信息科學,2010,26(5):16-19.

[7] 無人機航攝影像測繪地形圖的精度探討[J].測繪，2012,35(4):174-176.

[8]GB/T23236-2009，數字航空攝影測量空中三角測量規范[S].北京：中國標準出版社,2009.

[9] 馮文灝.近景攝影測量——物體外形與運動狀態的攝影法測定[M].武漢：武漢大學出版社,2002.

[10] 張永軍.無人駕駛飛艇低空遙感影像的幾何處理[J].武漢大學學報, 2009, 34(3):284-288.

《西北水電》征文啟事

《西北水電》雜志系中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司、西安理工大學、陜西省水力發電工程學會聯合主辦的技術性期刊。1982年創刊，國內外公開發行。《西北水電》雜志為陜西省優秀科技期刊；中國科技論文統計源期刊；中國學術期刊《光盤版》入編期刊；“萬方數據——數字化期刊群”、“重慶維普網”、《北極星》網站入網期刊；中國水利水電文摘入編期刊。

《西北水電》雜志以推動西北地區及我國水利水電科技進步為宗旨，主要刊登有關大、中型水利水電工程的科技論文，設置有水文與水資源、地質與勘測、水工與施工、機電與金屬結構、科研與試驗、專題研究、工程監理、經營與管理等欄目。本刊為雙月刊，全年6期，每期在2、4、6、8、10、12月末出版，刊號GN61-1260/TV。

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Application of Technology of Low-attitude Photographing by Drone in Hydropower Engineering

SHANG Hai-xing, XUE Shao-jun, LEI Jian-chao, HUANG Wen-yu, YANG Gang

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The development status and system components of the low-attitude aerial surveying system are described. The technical flow of the system to be utilized for the aerial surveying operation is studied as well as the production tests of the digital products of DLG, DEM and DOM are performed. Finally, the results are evaluated and analyzed in terms of precision and feasibility. The study presents that the low-attitude image can be applied for the rapid topographic mapping, in a larger scale, of the small region.Key words: low attitude image; drone; topographic surveying and mapping; DOM

2014-09-22

尚海興(1985- )，男，陜西省渭南市人，助理工程師，從事數字攝影測量和水電工程測繪工作.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.005