基于復雜地形的無人機航攝系統1∶500 DLG生產

王芳潔,段輝麗,關翔(宜昌市測繪大隊,湖北宜昌 443000)

基于復雜地形的無人機航攝系統1∶500 DLG生產

王芳潔?,段輝麗,關翔
(宜昌市測繪大隊,湖北宜昌 443000)

摘 要:在山地地形中,用輕型固定翼無人機為航攝平臺,采用POS數據與地面控制點相結合的方式進行空三加密并生產1∶500數字線劃圖,利用控制網精度以及DLG實測精度對測繪精度進行驗證。實踐證明了在復雜地形條件下利用無人機生產大比例尺地形圖的可行性,并提出了控制精度的實用方法。

關鍵詞:無人機；POS；大比例尺DLG；精度

1　引 言

輕型無人機航攝平臺具有機動快速、使用成本低、操作簡便等特點,能快速獲取影像資料用于生產現勢性強的4D產品,如今已經成為一種獨具優勢的航攝平臺和測量手段。但由于無人機像幅小、姿態不穩定,其搭載的非量測型相機存在較大光學畸變,在地形起伏較大,在地形復雜的測區用無人機生產1∶500的大比例尺DLG還處于廣泛研究驗證階段[1～3],對于航飛及影像質量、設備先進性、數據處理技術等多個環節都提出了特殊的要求。

本次生產實踐是一次成功實踐,在山地地形中,利用固定翼無人機搭載高精度POS設備,采用特殊的地面控制點布點方式,獲得高精度的空三加密成果,再經過規范化DLG采集和外業調繪,最終完成約10 km2的1∶500 DLG生產,經過控制網精度以及實測精度檢驗,其理論精度與實際精度均滿足1∶500山地地形圖精度要求。

2　前期準備工作

2．1攝區概況

攝區為宜昌市秭歸縣鄭家嶺村,面積共約10 km2;該地區位于湖北西部西陵峽畔,平均海拔約為400 m,最低海拔約280 m,最高約520 m,居民區集中在海拔350 m～450 m之間,其地勢起伏大、植被茂盛,是川鄂地區典型的山地地形。

2．2前期設計

(1)無人機飛行平臺:采用彈射式固定翼無人機平臺,機身尺寸為1080 mm×2000 mm×380 mm(機長、翼展和機高),最大起飛重量9 kg,任務荷載2 kg ～3 kg,普通環境中發動機功率為2 000 w,飛行高度可達5 000 m,巡航速度110 km/ h,抗風6級,續航時間3 h～4 h。其飛行控系統由自駕儀、GPS定位裝置、姿態陀螺、無線電操控系統等組成,導航精度米級。

(2)相機參數:無人機搭載的相機類型為Nikon D600,像素大小為5．972 μm,CCD大小為35．926 mm× 23．982 mm。為保證準確度,相機畸變校正必須在專門的檢校場中進行,并且要在航攝前重新檢校以獲得最新的數據,檢校參數如表1,其坐標原點在影像中心。

相機檢校參數 表1

(3)無人機飛行參數:根據1∶500地形圖生產的精度要求,獲取影像的地面分辨率需優于10 cm,將飛行航高設置為300 m。由于攝區內高差跨度較大,按照大飛機航空攝影測量外業要求應進行航攝分區,但該區域按高程分區會造成多個狹長航帶,不利于后期數據處理,并且考慮到房屋居民地集中在海拔400 m左右,位于航攝基準面附近,在不損失地物精度且顧忌地面分辨率的前提下未進行分區處理。結合實際地形數據設計飛行參數,如表2所示。

飛行參數表 表2

(4)航線設計:攝區呈狹長南北走向,飛行方向沿攝區走向南北飛行,如圖1所示。

圖1　航線結合圖

2．3影像獲取與質量保證

(1)傾斜角與旋偏角控制:無人機穩定性較差,為防止氣流造成的旋偏角俯仰角較大,本次飛行將航向重疊度與旁向重疊度分別設置為80%與50%,確保不會出現漏洞。

(2)航線彎曲度:每條航線設有預備線,保證無人機以平穩的姿態進入航線。飛行過程中POS導航系統實時顯示航跡偏差,飛控系統依據偏差值實時調整航線,漂移過大的航線及時補飛。

(3)航高保持:航攝過程中無人機通過GPS實時測定高程,自動按照基準值保持航高,保證航高變化不超過±10 m。

(4)影像質量控制:根據航空攝影國家標準,本次飛行選擇的攝影時間為14:00～16:20,且天氣晴朗少云,能見度大于6 km,云覆蓋率小于10%,風速小于5 m/ s,并保持氣象條件在航攝期間基本一致。

(5)飛前相機檢查:起飛前要對相機做常規檢查,設置快門速度、ISO等參數,光學鏡頭表面清潔,以獲取影像清晰、色彩飽滿的航空像片。

(6)航片質量檢查:航攝結束后,使用航片檢查軟件檢查影像是重疊度以及云霧、煙遮擋等。保證影像清晰,無漏飛情況,每張像片上無云影及煙霧,影像色調一致、色彩分明。

3　空三加密及精度驗證

3．1空中三角測量

采用專業的Pixelgrid空三加密模塊及PATB程序,采用嚴密的光束法平差方式對測區進行空三加密,恢復影像的外方位元素。

(1)影像畸變糾正與內定向

利用前期對相機檢校獲得的檢校參數對原始影像進行畸變糾正。校正后設置參數、建立金字塔影像工程,進行影像自動內定向及大氣折光和地球曲率改正(內定向限差為0．01 mm)。

(2)相對定向

設置參數,以POS數據為初始值,全自動匹配特征點、匹配成功后自動轉點(需要根據提示改正相對定向和模型連接錯誤),轉點成功后設置參數進行自由網平差。據平差計算結果和點位密集程度刪除粗差點和誤差大的點,首次刪點限差可設置為3個～4個像素。

首次刪點后進行第二次自由網平差,并將點位精度權重設大,然后查看點位分布情況和同名點殘差,進行手動刪除和調整,地物稀少和植被覆蓋區由于匹配困難缺少同名點需要手動選取同名像點,保證每張影像在航帶內有5個以上、航帶間有3個以上均勻分布的同名點,每張影像中手動加點不需要很多,但要盡量精確并且合理分布。

繼續進行平差計算,必要時仍需要手動調整,自由網平差和點位調整交互進行,不斷調整精度權重,直到點位最大改變量收斂于0．005以內,除了極少數手動增加的同名點精度略低,其他同名像點殘差在1個像素以內,并且有足夠的精度高且分布均勻的同名像點,相對定向完成。需要注意的是由于在匹配困難區域手動增加的同名點比自動匹配的精度低,誤差會超過一個像素,這些極少數手動增加的同名點是局部地區影像連接的關鍵,且不影響成果的整體精度,刪點時必須保留。最終點位分布如圖2(綠色為航帶內相對定向點,紅色為航帶間連接點)。

圖2　連接點分布情況

自由網構網精度與穩定性是后續絕對定向的保證,所以相對定向的質量控制至關重要。由于無人機拍攝姿態不如大飛機穩定、像幅小、高差對重疊度影像較大,相對定向環節更加困難,要求更高,人機交互的工作不可避免。

(3)野外控制點測量

無人機航測不能按照常規方法布設像控點,而是盡量采用平高網布網,這就對像控點的選取提出了更高的要求,必須選擇影像6°重疊區域內位于平面上的特征點,比如水泥道場的角點,平屋頂的角點等,明顯田塊交匯處中心點等,考慮到1∶500地形圖精度要求高,為保證絕對定向的精度,布點密度參照全野外布點,平均5條基線布設一個像控點。用宜昌CORS(測量誤差在5 cm以內)采集特征點的三維坐標信息,在每個控制點附近采集一個備用控制點,并均勻的選擇一些明顯特征點采集坐標信息,作為后期檢查點使用。

(4)絕對定向

進行控制點刺點,選擇平差參數進行控制網平差計算,根據提示挑粗差、調整余差、檢查刺點質量,必要時用備用控制點替換或進行實地控制點修補測。逐步增大控制點的權重,直到平差點位最大改變量收斂于0．005以內,并且控制點殘差滿足國標精度要求,絕對定向完成。

3．2空三成果精度驗證

調整后最終參與控制完平差的控制點殘差如表2所示,控制點分布如圖3所示。

控制點殘差報告 表2

圖3　控制點分布情況

表2中R/ xy和R/ z分別表示控制點定位殘差與高程殘差,用公式計算出控制點中誤差,其中n為量取的控制點總數(即基本定向點),據此得到精度值是衡量絕對定向精度的主要指標。同時,用計算檢查點中誤差,n為參與檢查的總點數,△為檢查點不符值計算出檢查點中誤差,是評定空三成果精度已經檢驗精度一致性的重要指標。計算結果如表3所示。

根據《航空數字攝影測量空中三角測量規范》中對成圖比例尺1∶1 000的山地地形精度要求[4],基本定向點平面位置中誤差0．2 m,高程中誤差0．26 m,檢查點平面位置中誤差0．35 m,高程中誤差0．4 m,滿足國標要求。

基本定向點、檢查點精度統計 表3

4　1∶100DLG采集調繪及精度驗證

4．1數字線劃圖制作

(1)建立立體模型

在測圖平臺下導入空三角結果,建立立體模型,消除上下視差、構成正確的立體像對,進行核線重采樣,使像對更加清晰。

(2)1∶1 000 DLG制作

利用MapMatrix專業立體采集模塊配合EPS地理信息系統軟件進行立體采集,實現采編一體的高效測圖。立測作業要求、地物取舍、圖示符號嚴格參照相關規范[5,6]。

(3)外業調繪

按照規范要求進行外業調繪[7],外業調繪對采集的數字線劃圖進行遮擋地物修測補測、房檐改正、屬性數據采集等,同時根據野外調查對DLG進行核實檢查。

(4)DLG編輯

根據外業調繪成果對DLG進行修改完善,修改完成后進行圖幅接邊等。完善后的DLG成果效果截圖如圖4所示。

圖4　DLG成果圖

4．2DLG質量檢查

DLG成果是否滿足1∶1 000地形圖的標準要求,必須經過數據檢查和精度驗證。

(1)地圖要素完整性、邏輯一致性、屬性檢查、表征質量和附件質量檢查。

(2)位置精度驗證

這項檢查是對DLG實際精度的檢驗,是衡量此次成果是否合格的關鍵。在該測區中在DLG上均勻的選取了23個地物點進行實地坐標比對,殘差值如表4所示。

DLG坐標較差統計表 表4

檢查點不符值及精度統計表 表5

該測區實驗的平差分析結果:

(1)依據地形圖航空攝影測量內業規范[8],1∶500地形圖山地平面中誤差為圖上0．8 mm,即實地0．4 m,高程限差參照規范中高程注記點中誤差標準即0．5 m。參照表2可看出,實際精度可以達到國標要求。

(2)通過檢驗數據與國家標準的對比,說明在復雜地形中用無人機航攝的方式生產1∶500 DLG是可行的,從理論精度和實際精度兩方面來看,精度滿足要求且比較均勻,高程精度也得到很好的控制,可以看出成果質量是很可靠的。

(3)由于大比例尺地形圖對精度要求很高,而影響DLG成果精度的因素有很多方面,必須在飛行的質量保證、空三加密,控制信息采集、立體測圖等每個環節嚴格控制,才能得到理想的成圖效果。

(4)在本文中POS數據只用于輔助影像匹配和控制網平差,由于人機的姿態不穩定,通過POS設備得到的外方位元素很難達到地面控制點的精度,所以如果定位成果用于大比例尺DLG生產,通過在地面布設高精度控制網的方式進行絕對定向仍然是目前最可靠的方法。

5　結 語

大比例尺線劃圖有精確的坐標和屬性數據,便于空間分析、數據挖掘等,在當今社會經濟發展中起著越來越重要的作用,但同時對于成圖效率和現勢性也提出了越來越高的要求,傳統方式的全站儀野外測圖方式必將逐步淘汰。無人機具有快速便捷、靈活機動、成本低等特殊優勢,而室內立體采集直觀快速,使測圖周期大大縮短,一次性生產面積在幾十平方千米以內的4D產品非常方便,這對于市級專業測繪單位具有更強的實用性。

經過學者不斷研究和實踐經驗的積累,無人機航攝智能化程度將會越來越高,IMU/ DGPS系統精度的不斷提高將實現無人機無地面控制測圖[9,10],基于特征的影像匹配和絕對定向方法的研究[11]將進一步提高精度,利用無人機航測方式進行大比例尺地形圖生產最終將成為一種成熟的技術。

參考文獻

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[11] 張祖勛,張宏偉,張劍清．基于直線特征的遙感影像自動絕對定向[J]．中國圖象圖形學報,2005,2,10(2):213 ～217．

The Production of 1∶500 DLG Using the UAV Aerial System Based on Complex Terrain

Wang Fangjie,Duan Huili,Guan Xiang
(Yichang City,Surveying and Mapping Detachment,Yichang 443000,China)

Abstract:In mountainous terrain,with the light fixed-wing UAV aerial platform,use a combination of POS data and ground control points to complete aerial triangulation and the production of 1∶500 DLG,and text verify of the surveying precision used control network precision and the actual measurement precision of DLG．Practice has proved the feasibility of producing large scale topographic map using the UAV aerial system in conditions of complex terrain,and put forward practical method of control accuracy．

Key words:UAV;POS;large-scale DLG;precision

文章編號:1672-8262(2015)05-86-05中圖分類號:P237

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—04—28

作者簡介:王芳潔(1986—),女,工程師,碩士,主要從事無人機航空攝影及4D產品生產、三維數字城市等基礎城市測量技術工作。