無人機傾斜攝影技術在地理空間信息數據生產中的應用

劉星紅

（漳平市自然資源局，福建 漳平 364400）

0.引言

隨著社會經濟的發展，地理空間信息已經成為城市管理、大眾日常生活不可缺少的組成部分，為資源、環境、災害、交通、城市發展等諸多與社會可持續發展密切相關的領域提供了全新的技術支持和全方位的信息服務[1]，目前，測繪地理信息行業的技術發展日新月異，新的設備與技術的應用可能會提高數倍的生產效率，同時節約大量的外業人工成本。

現階段無人機攝影測量技術在基礎地理信息數據采集處理中已得到廣泛應用，也取得了很好效果。無人機傾斜攝影測量技術可實現DLG、DEM、DOM 的快速生產，為地理空間快速更新提供了更好的技術支撐[2]。無人機是一種具備動力裝置和導航模塊，在一定范圍內依靠無線電裝置或計算機預設飛控程序自主控制飛行的無人駕駛航空器[3]。無人機飛行器研制之初是作為軍事靶機，隨著計算機技術和通訊技術的發展，無人機的性能得到了充分擴展，現階段在無人機上搭載各類傳感器，可實現各類數據的獲取，其中所搭載的傾斜攝影測量相機即為無人機行業所衍生出的傾斜攝影測量技術。無人機傾斜攝影測量技術主要是通過搭載在無人機飛行器平臺上的多角度測量相機進行航攝影像獲取，為獲取像控點數據無人機飛行器平臺通常會搭載具有定位功能的設備，以實現航攝相片的空間定位。

本文結合無人機傾斜攝影測量技術，從已有資料分析和利用、技術路線、正射影像成圖、地形圖測繪等方面出發，詳細講述了基礎數據生產的技術路線。

1.傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是對垂直航空攝影測量的突破，傳統的垂直航空攝影測量技術易發生地物被遮擋現象，而傾斜攝影測量技術實現了多角度、多方位的數據獲取，避免了因視線遮擋而產生的數據質量問題[4]；影像數據經軟件處理后呈現出立體化的視覺感受，經處理過的傾斜攝影測量數據可自動生成立體模型，可作為地形圖的量測依據；影像數據質量較好，搭載的高分辨率多鏡頭相機，視場角更大，獲取的原始數據質量更清晰、精度更準確[5]。

2.工程實踐

2.1 測區概況

測區地處東南丘陵腹地，漳平市位于福建省西南部，九龍江（北溪）上游，介于北緯24°54′-25°47′，東經117°11′-117°44′之間。漳平市共設11 個鎮，3個鄉，2 個街道辦事處，179 個行政村。本文主要工作內容包括制作1∶1000 比例尺的正射影像圖和1∶1000比例尺地形圖。

2.2 技術路線

無人機傾斜攝影測量技術在地理信息資源獲取的主要技術路線如下：收集整合測區內已有數據資料，對測區內原始數據包括已有地形圖和控制點進行分析整理；根據測區地形地貌、氣候條件等原因設計外業采集方案，內容包括布設像控點、航線設計、飛行周期、飛行高度等；執行外業采集任務，完成航測采集；航飛影像數據質量檢查主要檢查相片和POS 對應關系是否一致，篩選質量較好清晰且無遮擋的影像數據，對存在多數影像數據質量較差的現象應進行重新采集；采用RTK 技術獲取像控點坐標數據，將完成刺點的相片進行與像控點坐標進行關聯，然后進行空三加密；檢查空三加密成果精度檢驗后進行數字高程模型(DEM)的制作，由于測區地物復雜以及人為建筑的影響，需要對數字高程模型(DEM)進行人工編輯；以高精度的數字高程模型DEM 為基礎進行數字正射影像(DOM)和數字線劃圖(DLG)的生產，主要過程包括在空三加密基礎上進行DEM 數據處理、影像勻光勻色處理、影像糾正處理、DOM 鑲嵌處理及分幅裁剪處理。無人機航空攝影測量生產DLG 主要過程包括在空三加密基礎上恢復立體像對、立體采集、外業調繪和內業編輯成圖[6]。

2.3 已有資料的分析和利用

平面控制資料包括測區范圍二等控制點186 個，三等控制點72 個。包括測區城市坐標系、2000 國家大地坐標系、1980 西安坐標系三套坐標系成果。控制網圖（如圖1、圖2 所示）該控制成果可用于本項目像片控制點測量及地形圖外業調繪等工作時，2000 國家大地坐標系與測區城市坐標系轉換參數的計算。

圖1 2017 年測區市域二等控制網

圖2 2017 年測區市域三等控制網

2.4 正射影像圖制作

此項目采用瑞士Pix4D 公司Pix4D mapper 軟件進行正射影像圖的制作，具體步驟如下：

2.4.1 原始資料準備

檢查原始資料，其中包括影像數據、POS 數據以及控制點數據，確定所用的控制點屬于哪一坐標系下。確認原始數據的完整性，檢查每張相片是否合格，查看控制點的標記是否清晰可以辨認，另外查看POS 數據的相片號是否能與原始影像的相片號一一對應，這些數據文件，有問題的手動進行調整即可。

2.4.2 建立工程導入數據

（1）建立工程。打開Pix4 Dmapper 主界面，單擊項目—新項目設置工程的屬性即可，注意工程的路徑不能包含中文。

（2）加入影像。注意路徑不能包含中文。圖像坐標系默認為WGS84 坐標系，無需更改，從文件中導入地理定位和方向，其他不變，完成后點擊Finish 即進入到軟件主界面。

（3）快速檢查處理。在本地處理界面上選擇快速檢測和初步處理，其他不選，點擊運行即可生成簡易的成果檢查處理報告。首先確定大部分或者所有的影像都進行了匹配，如果沒有則說明飛行過程中的相片重疊度不夠或相片質量差；其次要確定最初得到的相機焦距與計算得到的相機焦距相差不超過5%，否則需重新設置相機模型。

國內外研究報告指出，甲醛是許多水產品的一種代謝中間產物，分布廣泛。但大多天然食物中甲醛含量較低，不會對人體健康造成威脅。水產品中內源性甲醛的主要前體物質是氧化三甲胺，是魚鮮美味道的主要來源。目前認為水產品中內源性甲醛主要通過2種途徑產生：一為生物途徑，氧化三甲胺可在內源性氧化三甲胺酶和微生物作用下，脫甲基生成二甲胺和甲醛；另一條為非酶途徑，主要是高溫過程的熱分解。這2種分解途徑都使得魚肉組織發生變化，影響水產品的品質和風味。此外，體內脂質的氧化或過氧化、氨基酸的代謝，以及脫甲基反應也可產生甲醛；甲醛亦是嘌呤、胸腺嘧啶生物合成的中間產物。

（4）加入控制點。控制點必須在測區范圍內合理分布，通常在測區四周以及中間都要有控制點。要完成模型的重建至少要有3 個控制點。通常100 張相片6 個控制點左右（在高程變化大的地方，通過增加控制點的個數來提高高程精度）。控制點不要做在太靠近測區邊緣的位置，控制點最好能夠在5 張影像上能同時找到（至少要 2 張）。

選擇像控點編輯器命令—增加像控點后，圖像出現在對話框中，進行逐個刺出控制點。選擇導入像控點命令，在對話框中設置像控點坐標系、導入像控點文件（csv 格式）。

刺點，在左側的圖像列表中選中圖像，右側就會顯示出該圖像。在對應的位置上，鼠標左鍵擊圖像中的點，標出控制點位置。一個控制點最少要在2 張圖像上標出來，通常建議標注在3—8 張圖像上。在質量報告中會顯示是否需要在更多的圖像上標出控制點。設置完成控制點導入。

2.4.3 數據處理

（1）初步處理。軟件主界面選擇運行—本地處理，勾選高精度處理，其余不選擇。

（2）高精度處理完成后，軟件可自動生成質量報告，質量報告內主要內容包括：區域網空三誤差、自檢校相機誤差、控制點誤差。

區域網空三質量分析。區域網空三質量報告（如圖3 所示）：Mean reprojection error 為空三中誤差，以像素為單位。相機傳感器上的像素大小通常為6 微米(μm)，不同相機可能不一樣。換算成物理長度單位就是 0.268228×6μm。

圖3 區域網空三質量報告

相機自檢校分析。相機自檢校質量報告（如圖4 所示）：其中Initial values 和Optimized values 兩個參數差值不能過大（例如Focal length，Initial value 值為6.007mm，Optimized values 為 20mm，差值為 13.993，差值過大，考慮初始相機參數設置出現問題），同時R1、R2、R3 三個參數不能大于1，否則可能出現嚴重扭曲現象。

圖4 相機自檢校質量報告

控制點質量分析。控制點質量報告（如圖5 所示）：從質量報告中可以看出，控制點4 和控制點5 的方向誤差相對較大，達到了0.03m，點擊主頁面左側點位4和5 進行相應調整。將每個點位的圖標移動到精確的位置，并依次對每張進行重新刺點處理，處理完成后點擊優化。對誤差較大的4 號點、5 號點進行同樣處理，選擇菜單欄進行重新優化，再次生成質量報告。

圖5 控制點質量報告

2.4.4 正射影像編輯輸出

完成質量報告分析處理后即可獲得正射影像成果。正射影像具體步驟：調整拼接線—投影切換—混合影像—正射影像成果。

調整拼接線：根據生成的初步成果，調整拼接線，由于房屋以及道路在圖像拼接的時候容易出現扭曲、錯位，所以影像上的房屋以及道路為重點調整對象[7]。

投影切換：全選所有的拼接影像，右鍵功能表命令，選取平面投影p，這個步驟可以初步解決影像的拉花、變形的現象，然后進行人工檢查，個別影像需要人工操作切換影像以達到更好的成像效果[8]。

混合影像：進行前面一系列的操作之后，切換到混合影像功能，在右方界面點擊混合影像按鈕，便可生成最終的正射影像成果[9]。

2.4.5 多個工程融合

以融合兩個工程為例，首先確保這兩個工程重疊度要夠(相鄰航帶旁向重疊度60%以上)，如果航帶間重疊度不夠，可以設計兩個工程重疊一條航帶。然后分別建立兩個工程，并運行完初步處理。重新新建工程，注意選擇新項目下的“通過合并現有項目創建新項目”。選擇需要添加的項目，加入完成后，軟件會自動對新建的合并工程進行初步處理。檢查質量報告，注意因為融合了兩個測區，所以每個測區都會生成1 個塊(blocks)，需要把2 個塊接在一起。（如果POS 精度足夠高，則不用手動連接測區）。

軟件進行初步處理后，會有一個很稀的點云生成，在點云視圖中，添加手動連接點。加入的連接點類型為手動連接點(Manul Tie Point)，不用輸入坐標，也可以直接加入控制點。建議至少加入3 個連接點。

在完成加入手動連接點后，選擇重新優化(Reoptimize)，重新生成質量報告，檢查質量報告。現在兩個測區已經合并在一起只有1 個塊，Dateset 中沒有提示不合格。

同時，質量報告中還會顯示我們添加的連接點誤差，檢查這些誤差，如果需要我們可以再去調整這些點或者手動添加更多的點。完成以上步驟后，可以把這個測區繼續與其他測區融合，或者接著完成空三加密生成 DSM 和 DOM[5]。

2.5 地形圖測繪

將2.4 中生成的 OSGB 格式文件導入 EPS 軟件中，并進行某區塊的全要素采集。完成要素采集后，導出DWG 格式文件。選擇南方CASS 軟件配置后，導出的DWG 格式文件時，可直接對應CASS 的要素層、代碼、線型、線寬等。然后在南方CASS 中對地形圖進行進一步地編輯與修飾，最終完成地形圖測繪，地形圖成圖流程（如圖6 所示）：

圖6 地形圖繪制主要流程

2.6 外業調繪

外業調繪方法原則上利用航測內業初編的線劃圖進行實地調查測繪，主要工作為內業采集數學精度的檢測、地物補測、房檐改正、碎部高程測量、地理名稱調繪和其他地物地貌的調繪、補繪等。調繪圖件需標識調繪人員、檢查員、調繪日期。

2.7 坐標系轉換

地形圖采集成果采用地區城市坐標系。同時利用控制成果，選取能夠均勻覆蓋項目區域的同名控制點，并與計算RTK 轉換參數所用控制點位一致，計算測區轉換參數，將地形圖數據成果轉化一套2000 國家大地坐標系數據。并將轉換后成果按規格進行分幅裁切和圖廓整飾，同時也為下一步地名地址調查、質量控制與檢測驗收提供便利。

3.結束語

現階段互聯網發展迅速，隨著5G 技術的普及，大數據下的地理信息服務產業將會被人們廣泛應用在生活生產中，時空大數據平臺建設刻不容緩。本文以構建時空信息云平臺的基礎數據生產階段為例，詳細介紹了其數據處理的技術流程，重點從數據采集、正射影像圖制作、地形圖測繪等方面講述智慧城市數字化建設過程中的基礎數據準備工作方式方法，可為此類項目作為參考。