無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖探討

雷廣淵

廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣東 廣州 510060

正文：

1 引言

近年來,無人機(jī)航測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，越來越受到各界的關(guān)注，無人機(jī)可以快速獲取目標(biāo)區(qū)域的影像信息，通過影像信息的提取相關(guān)信息,在土地利用調(diào)查、建筑違法監(jiān)測(cè)以及繪制大比例尺地形圖有重要意義。低空無人機(jī)是高分辨率及高精度遙感影像獲取技術(shù)，它以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，負(fù)載數(shù)碼相機(jī)以及機(jī)載的GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)按設(shè)計(jì)航線自主飛行。該技術(shù)集成了遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、定位差分技術(shù)與一體，可以快速獲取目標(biāo)區(qū)域的影像信息和位置信息，高分辨

率影像能夠達(dá)到大比例尺地形圖精度要求。本文探討了利用無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖的方法，提高生產(chǎn)效率，豐富測(cè)量成果。

2 無人機(jī)低空攝影測(cè)量

無人機(jī)遙感平臺(tái)分為空中部分和地面部分。其中空中部分包括遙感傳感器系統(tǒng)、空中自動(dòng)控制系統(tǒng)、無人機(jī);地面部分包括航線規(guī)劃系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。空中部分的主要功能是規(guī)劃航線并上傳到飛機(jī)上的控制器,飛行中監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)。地面部分主要功能為設(shè)計(jì)和規(guī)劃航線,無人機(jī)的實(shí)時(shí)控制與飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收。無人機(jī)則利用無線傳輸通道將飛行數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴目刂谱酉到y(tǒng)，地面工作人員可以在地面監(jiān)測(cè)無人機(jī)的飛行航線，在必要的情況下，可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)更改本次飛行的計(jì)劃，例如可以馬上進(jìn)行部分地區(qū)的補(bǔ)拍，如遇緊急狀況或降落時(shí)，可自動(dòng)切換成手控飛行。

圖1 無人機(jī)測(cè)量原理

3 無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖

無人機(jī)通過前期準(zhǔn)備、外業(yè)實(shí)施，獲得影像數(shù)據(jù)，通過外業(yè)的相片控制測(cè)量，可以將影像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的輸出坐標(biāo)系。為了能夠順利的進(jìn)行矢量化，需要對(duì)無人機(jī)獲得的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過空三加密、平差生成正射影像。無人機(jī)的數(shù)據(jù)處理及地形測(cè)圖流程如下：

圖2 無人機(jī)作業(yè)流程

獲取了無人機(jī)的正射影像，影像已經(jīng)是國家標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)或者是地方坐標(biāo)系統(tǒng)，為了更好的進(jìn)行矢量化，使得矢量化的精度更加準(zhǔn)確，加密控制點(diǎn)，使用控制點(diǎn)對(duì)正射影像進(jìn)行影像糾正，糾正后殘差在一定范圍內(nèi)方可進(jìn)行矢量化。

野外調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)。因?yàn)闊o人機(jī)獲取的影像因?yàn)檎趽醯纫蛩兀斐刹糠謹(jǐn)?shù)據(jù)信息丟失或者不夠清晰，使得成果無法進(jìn)行矢量化，野外調(diào)繪的目的是對(duì)無人機(jī)影像的數(shù)據(jù)補(bǔ)充，使得成果能夠完整的輸出。數(shù)字矢量化是將影像糾正后，為了能夠生成地形圖，需要利用畫圖軟件進(jìn)行數(shù)字矢量化，本文采用清華三維EPS2008進(jìn)行矢量化，成果如下圖

圖3正射影像矢量化

4 實(shí)驗(yàn)概況

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)槟戏窖睾３鞘校w行時(shí)間選擇在冬季，飛行區(qū)域地勢(shì)平坦，無人機(jī)飛行范圍內(nèi)有道路、高層建筑物等，海拔-10m-10m，項(xiàng)目飛行相對(duì)高度為384米，預(yù)設(shè)航向重疊度80%，旁向重疊度80%，飛行范圍為6平方公里，沿南北飛行了16條航線，共拍攝了500多張影像。

為了提高地形圖測(cè)繪的效率，充分發(fā)揮測(cè)繪新技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，在生產(chǎn)中提供多樣豐富的數(shù)據(jù)成果，項(xiàng)目使用無人機(jī)技術(shù)對(duì)道路進(jìn)行高分辨率的低空攝影測(cè)量，通過相片控制測(cè)量，空三加密等一系列內(nèi)業(yè)處理，生成廣州坐標(biāo)系下的正射影像。

圖4 正射影像與地形圖疊加

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了分析無人機(jī)影像制作數(shù)字化地形圖的數(shù)學(xué)精度，將傳統(tǒng)測(cè)量方法獲得的數(shù)字化地形圖與影像在arcgis中進(jìn)行疊加分析，分別抽取每幅圖中具有特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)提取進(jìn)行精度分析的采樣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)共抽取105個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。結(jié)果如表1所示。

表1 精度比較

根據(jù)表1顯示，平面精度的點(diǎn)位中誤差為0.123，多數(shù)點(diǎn)位在0.20m之內(nèi)，其平面精度滿足1;2000數(shù)字化地形圖的精度要求。通過無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取和線性化的過程分析，可以總結(jié)出影響無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖精度的原因：

1、無人機(jī)體積小，易受風(fēng)、天氣等的干擾，風(fēng)速過大，在影像處理過程中，無法對(duì)風(fēng)速等天氣原因進(jìn)行改正，影像有幾何變形。

2、投影差的影響。無人飛行高度較低，建筑物等的高度與飛行高度相差不大，致使部分高層建筑物在影像處理過程中不能準(zhǔn)確拾取連接點(diǎn)，部分還不能產(chǎn)生正射的效果。

3、數(shù)字地形圖的精度和矢量化化的精度。 影像在與傳統(tǒng)地形圖進(jìn)行精度比較時(shí)，需要進(jìn)行矢量化，矢量化的過程中必然存在人為因素導(dǎo)致的誤差。傳統(tǒng)的數(shù)字化地形圖在測(cè)量、成圖的各個(gè)階段也存在誤差。

6 結(jié)論

通過工程分析，無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖與傳統(tǒng)的測(cè)量模式具有明顯優(yōu)勢(shì)，不僅提高了作業(yè)的效率，降低了成本，而且更加豐富了成果，精度滿足國家大比例尺地形圖的精度要求。因此研究無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖具有十分重要的意義。