無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在水電工程測(cè)繪的應(yīng)用

尚海興,薛紹軍,雷建朝,黃文鈺,楊 剛

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0018—05

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)在水電工程測(cè)繪的應(yīng)用

尚海興,薛紹軍,雷建朝,黃文鈺,楊 剛

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

闡述了低空航測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和系統(tǒng)組成，探討了利用該系統(tǒng)進(jìn)行航測(cè)作業(yè)的技術(shù)流程，并進(jìn)行DLG、DEM和DOM數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)試驗(yàn)，最后對(duì)成果進(jìn)行精度評(píng)定和可行性分析，結(jié)果表明低空影像可用于小區(qū)域的大比例尺快速地形測(cè)繪。

低空影像；無(wú)人機(jī)；地形測(cè)繪；DOM

0 前 言

相對(duì)于航空航天遙感平臺(tái)，低空遙感平臺(tái)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。① 傳感器為小像幅數(shù)碼相機(jī)，作業(yè)成本低；② 無(wú)需申請(qǐng)空域，起降靈活,能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)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(yōu)勢(shì)；④ 影像重疊度高，有利于提高后續(xù)處理的可靠性。由于上述的諸多優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)已成為大飛機(jī)與衛(wèi)星遙感平臺(tái)的有效補(bǔ)充，特別適合較小面積測(cè)區(qū)的航空攝影測(cè)量，現(xiàn)已逐步從試驗(yàn)研究走向生產(chǎn)應(yīng)用[1]。

1 低空航測(cè)系統(tǒng)概述

圖1 無(wú)人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)組成圖

無(wú)人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)一般包括空中航攝系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)工作流程為：首先根據(jù)任務(wù)要求對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航線規(guī)劃，地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃的航線，借助自動(dòng)駕駛儀控制無(wú)人機(jī)飛行和拍攝作業(yè)。空中攝影子系統(tǒng)將拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，無(wú)人機(jī)平臺(tái)利用無(wú)線傳輸通道與地面控制子系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，地面工作人員通過(guò)該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行航線，并對(duì)飛行航跡做必要調(diào)整。飛行任務(wù)結(jié)束后，地面控制飛機(jī)降落，下載影像，并快速進(jìn)行影像質(zhì)量快速檢查，決定是否補(bǔ)飛。合格的影像轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，借助攝影測(cè)量工作站進(jìn)行測(cè)繪產(chǎn)品(DLG，DEM，DOM等)的生產(chǎn)[2]。

2 低空航測(cè)工作技術(shù)流程

低空航測(cè)作業(yè)流程可歸結(jié)為3個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、外業(yè)實(shí)施階段和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)低空航測(cè)工作技術(shù)流程圖

2.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)為黃河上游某水電站，高原半干旱型氣候，測(cè)區(qū)西北部為高山區(qū)，西南部為水電站庫(kù)區(qū)(大面積水域)，中間黃河貫穿，東南部主要為村莊和農(nóng)田，植被覆蓋較為嚴(yán)重，整個(gè)測(cè)區(qū)平均海拔2 000 m，最大相對(duì)高差300 m。本次作業(yè)主要完成覆蓋水電站以及附屬設(shè)施等區(qū)域的5.36 km2的1∶2 000(2 m等高距)比例尺DOM、DEM、DLG數(shù)據(jù)制作。

2.2 影像獲取

(1) 航高設(shè)計(jì)：測(cè)區(qū)影像獲取方式采用微型固定翼無(wú)人機(jī)搭載Canon EOS 450D單反相機(jī),像幅大小4 272 pixel×2 848 pixel，像元大小5.20 μm，焦距24.308 mm。根據(jù)相對(duì)航高計(jì)算公式并兼顧精度與效率，攝影GSD(Ground Sample Distance)設(shè)為0.15～0.20 m[3]。考慮測(cè)區(qū)地形起伏較大，為滿足整個(gè)測(cè)區(qū)成圖精度滿足1∶2 000地形圖測(cè)圖精度，相對(duì)航高比理論航高較低，設(shè)為600 m。全區(qū)設(shè)1個(gè)航攝區(qū)，飛行了1個(gè)架次，平均地面分辨率為0.13 m。

(2) 航線設(shè)計(jì)：根據(jù)攝影區(qū)域地形情況、起飛場(chǎng)地情況、攝影分辨率、數(shù)碼航測(cè)新型解算理論(即多基線自動(dòng)空中三角測(cè)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(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)”自帶程序進(jìn)行自動(dòng)航線設(shè)計(jì)，共布設(shè)11條航線。

(3) 航飛數(shù)據(jù)檢查：航飛后共計(jì)完成航空攝影面積7.4 km2，584張航片，及時(shí)下載航攝影像與POS數(shù)據(jù)，經(jīng)測(cè)區(qū)全景圖快速拼接[4-6]進(jìn)行航攝漏洞檢查，基于POS數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行質(zhì)量評(píng)估。經(jīng)檢查飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量滿足文獻(xiàn)[3]的要求。飛行質(zhì)量檢查：① 實(shí)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(zhì)量檢查：① 影像無(wú)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(yīng)的細(xì)小地物影像，滿足外業(yè)全要素精確調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求；③ 影像色彩飽和度適中，無(wú)暗影和光暈。

2.3 像控點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量

無(wú)人機(jī)航攝傳感器品類繁多，像控點(diǎn)布設(shè)密度的研究還未有較為成熟的理論。本次任務(wù)像控點(diǎn)布設(shè)方法根據(jù)文獻(xiàn)[2]中關(guān)于像控點(diǎn)航向基線數(shù)跨度估算公式，計(jì)算出理論基線數(shù)不超過(guò)4條。當(dāng)連接點(diǎn)平面中誤差確定后，基線跨度與相機(jī)的放大倍率相關(guān)；當(dāng)連接點(diǎn)高程中誤差確定后，基線跨度與基高比相關(guān)。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)[7]結(jié)論：當(dāng)航向基線跨度數(shù)小于或等于6時(shí)，布設(shè)野外像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，其平面和高程精度均可達(dá)到規(guī)范[8]對(duì)1∶2 000丘陵地的精度要求；當(dāng)基線跨度數(shù)大于6條小于24條，平面精度成果可用，高程精度不達(dá)標(biāo)。

因本次任務(wù)地面分辨率優(yōu)于相應(yīng)規(guī)范要求，故像控點(diǎn)布設(shè)方案如下。

(1) 航向：5～7條基線布設(shè)，西側(cè)水庫(kù)邊緣可適當(dāng)將基線跨度數(shù)降為4條。

(2) 旁向：平緩區(qū)隔航帶布設(shè)1個(gè)，起伏較大的西側(cè)逐航帶布設(shè)。

成圖區(qū)域面積5.36 km2共計(jì)布設(shè)像控點(diǎn)28個(gè)(如圖3所示)，其中山丘和林地中地物不明顯區(qū)域布設(shè)飛前地標(biāo)式像控點(diǎn)18個(gè)，飛后選刺地物像控點(diǎn)10個(gè)。地標(biāo)式像控點(diǎn)應(yīng)置平在易尋找的空地，對(duì)空視角好，避免周邊樹(shù)木或建筑物遮擋。

根據(jù)規(guī)范[2]的要求，像控點(diǎn)測(cè)量的平面中誤差不超過(guò)地物點(diǎn)中誤差1/5，高程中誤差不超過(guò)基本等高距的1/10，根據(jù)壩址區(qū)已有GPS控制網(wǎng)成果，采用GPS-RTK測(cè)量模式進(jìn)行像控點(diǎn)的測(cè)量。實(shí)測(cè)中采用2次取平均值的方法獲取最終觀測(cè)結(jié)果。

2.4 影像畸變改正

相對(duì)量測(cè)型航攝儀，非量測(cè)性單反相機(jī)存在較大影像畸變差，空三(空中三角測(cè)量)加密前需借助相機(jī)檢校文件對(duì)航攝原始影像進(jìn)行畸變差改正，該步驟在無(wú)人機(jī)影像空三加密前處理十分必要。附加

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)分布圖

參數(shù)的光束法平差中的系統(tǒng)畸變改正模型[9]如式(1)所示：

(1)

根據(jù)3個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)原始影像進(jìn)行單文件畸變改正后的糾正文件參與平差的結(jié)果優(yōu)于直接對(duì)原始影像進(jìn)行附加參數(shù)的光束法平差的結(jié)果。

2.5 空三加密

低空影像重疊度大，空中三角測(cè)量時(shí)，每個(gè)地面點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)觀測(cè)值較多，大量的多余觀測(cè)有利于觀測(cè)值的粗差探測(cè)和剔除[10]。光束法區(qū)域網(wǎng)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(chǔ)方程。如數(shù)碼相機(jī)檢校文件不準(zhǔn)確，平差時(shí)需要將相機(jī)畸變參數(shù)作為未知數(shù)進(jìn)行自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差，如式2所示。

(2)

式中: x、y為以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；f為相機(jī)主距；X、Y、Z為物點(diǎn)的地面坐標(biāo)；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(duì)定向自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位可能缺點(diǎn)，部分像片需要人工加點(diǎn)，另外庫(kù)區(qū)落水面積大于像幅1/2以上的影像剔除加密。

采用航天遠(yuǎn)景DATMatrix2.0進(jìn)行空三加密，相對(duì)定向精度不大于1/2像素，自動(dòng)提取連接點(diǎn)后利用Patb粗差探測(cè)剔除粗差點(diǎn)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]對(duì)丘陵地基本定向點(diǎn)的平面位置和高程中誤差限差要求對(duì)本測(cè)區(qū)的地面控制點(diǎn)絕對(duì)定向精度統(tǒng)計(jì)如表1。

精度分析：從表1空三平差成果看，像控點(diǎn)平差結(jié)果平面坐標(biāo)殘差均小于0.6m，高程殘差大部分不超過(guò)0.26m，因采用了隔航帶布點(diǎn)在高程控制上強(qiáng)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(cè)高精度，宜采用逐航帶布設(shè)像控點(diǎn)，兼顧到效率，在精度較弱區(qū)域采集了少量高程散點(diǎn)作為高程控制點(diǎn)參與區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算來(lái)提高局部高程精度達(dá)到規(guī)范要求。另外攝區(qū)的特殊性在于地形起伏高達(dá)300m卻使用了同一航攝分區(qū)，如此會(huì)造成航攝比例尺不盡相同導(dǎo)致區(qū)域網(wǎng)平差精度分布不均。

表1 區(qū)域網(wǎng)平差像控點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)表

圖4 DOM與DLG套合快速檢查圖

2.6 數(shù)字產(chǎn)品制作

2.6.1DLG制作

內(nèi)業(yè)采編：立體測(cè)圖采用了航天遠(yuǎn)景的FeatureOne特征采集平臺(tái)。為提高采集效率和精度，采用了等高線采集和地物調(diào)繪分別進(jìn)行。FeatureOne提供了強(qiáng)大的圖形編輯功能，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字線劃圖的采編一體化。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪片仔細(xì)辨認(rèn)地物屬性，及時(shí)進(jìn)行標(biāo)記，以免遺漏。在森林覆蓋區(qū)域，先采集植被覆蓋縫隙裸露地面的高程點(diǎn)，在采集概略等高線，然后以采集的高程點(diǎn)作為地形控制點(diǎn)，修改概略等高線。最終將采集成果導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行編輯和圖層轉(zhuǎn)換。

2.6.2DEM與DOM制作

自動(dòng)空三完成后即可借助MapMatrix4.1平臺(tái)通過(guò)自動(dòng)匹配生產(chǎn)測(cè)區(qū)DEM。但因現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性，為了提高DEM的精度，需要對(duì)樹(shù)木、水域和人工地物進(jìn)行人工編輯。

根據(jù)編輯的高精度DEM，可以對(duì)影像進(jìn)行幾何糾正，在航天遠(yuǎn)景EPT平臺(tái)下通過(guò)鑲嵌線自動(dòng)搜索和人工編輯，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳{(diào)均衡處理，自動(dòng)鑲嵌處理成全區(qū)正射影像。對(duì)全區(qū)DOM進(jìn)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(guò)與對(duì)應(yīng)區(qū)域DLG套合檢查，基于AutoCADVBA編程實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)DLG與DOM套合顯示,如圖4所示。

2.7 精度評(píng)定

為對(duì)DLG與DOM測(cè)圖精度進(jìn)行有效檢查，在航飛后采集遍布測(cè)區(qū)有代表性的碎步點(diǎn)作為成圖精度檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)樣本在全測(cè)區(qū)分批次獨(dú)立獲取，具體精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、3所示。

根據(jù)兩表的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，無(wú)人機(jī)影像的DOM的平面精度是可以保證的，而高程精度在當(dāng)前像控點(diǎn)的分布與密度前提下雖少數(shù)檢查點(diǎn)高程較差超限，但高程中誤差可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)果表明了低空航測(cè)系統(tǒng)在小范圍大比例測(cè)圖中的可行性。

表2 DLG高程精度統(tǒng)計(jì)表

表3 DOM平面精度統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語(yǔ)

低空航測(cè)作業(yè)流程的試驗(yàn)表明，合格的低空影像可以滿足大比例航測(cè)成圖的要求，并取得合格測(cè)繪產(chǎn)品。根據(jù)空三加密結(jié)果，并結(jié)合DOM與DLG的檢查結(jié)果表明，像控點(diǎn)的布設(shè)密度除遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，在精度較弱地區(qū)加布高程散點(diǎn)可提高局部成果的高程精度；航攝比例尺的不均勻會(huì)導(dǎo)致空三加密精度的不均勻，故在高落差地區(qū)合理劃分航攝分區(qū)仍需考慮；無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)多數(shù)為非量測(cè)型相機(jī)，影像畸變差改正對(duì)空三加密計(jì)算尤為重要，精準(zhǔn)的相機(jī)檢校可有效消除上下視差。筆者認(rèn)為加大無(wú)人機(jī)有效載荷可增強(qiáng)傳感器獲取信息能力，微型化高精度POS設(shè)備(如差分GPS)可有效減少外業(yè)像控工作量，這兩點(diǎn)可有效拓展無(wú)人機(jī)測(cè)繪的應(yīng)用領(lǐng)域，將成為測(cè)繪型無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向之一。

[1] 晏磊. 無(wú)人機(jī)遙感信息平臺(tái)建設(shè)與CMOS成像初步研究. “數(shù)字近景攝影測(cè)量”學(xué)術(shù)研討會(huì)[C].武漢: 武漢大學(xué),2004.

[2]CH/Z3004-2010,低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范[S].北京：測(cè)繪出版社,2010.

[3]CH/Z3005-2010,低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[S].北京：測(cè)繪出版社,2010.

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[5] 狄穎辰.無(wú)人機(jī)圖像拼接算法綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2011,31(1):170-173.

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

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[8]GB/T23236-2009，數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

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《西北水電》征文啟事

《西北水電》雜志系中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司、西安理工大學(xué)、陜西省水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的技術(shù)性期刊。1982年創(chuàng)刊，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行。《西北水電》雜志為陜西省優(yōu)秀科技期刊；中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊；中國(guó)學(xué)術(shù)期刊《光盤版》入編期刊；“萬(wàn)方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群”、“重慶維普網(wǎng)”、《北極星》網(wǎng)站入網(wǎng)期刊；中國(guó)水利水電文摘入編期刊。

《西北水電》雜志以推動(dòng)西北地區(qū)及我國(guó)水利水電科技進(jìn)步為宗旨，主要刊登有關(guān)大、中型水利水電工程的科技論文，設(shè)置有水文與水資源、地質(zhì)與勘測(cè)、水工與施工、機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)、科研與試驗(yàn)、專題研究、工程監(jiān)理、經(jīng)營(yíng)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(hào)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(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和水電工程測(cè)繪工作.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.005