無人機傾斜攝影技術(shù)在地理空間信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)中的應(yīng)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(jīng)濟的發(fā)展，地理空間信息已經(jīng)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(huán)境、災(zāi)害、交通、城市發(fā)展等諸多與社會可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)支持和全方位的信息服務(wù)[1]，目前，測繪地理信息行業(yè)的技術(shù)發(fā)展日新月異，新的設(shè)備與技術(shù)的應(yīng)用可能會提高數(shù)倍的生產(chǎn)效率，同時節(jié)約大量的外業(yè)人工成本。

現(xiàn)階段無人機攝影測量技術(shù)在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集處理中已得到廣泛應(yīng)用，也取得了很好效果。無人機傾斜攝影測量技術(shù)可實現(xiàn)DLG、DEM、DOM 的快速生產(chǎn)，為地理空間快速更新提供了更好的技術(shù)支撐[2]。無人機是一種具備動力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)依靠無線電裝置或計算機預(yù)設(shè)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(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，無人機的性能得到了充分?jǐn)U展，現(xiàn)階段在無人機上搭載各類傳感器，可實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的獲取，其中所搭載的傾斜攝影測量相機即為無人機行業(yè)所衍生出的傾斜攝影測量技術(shù)。無人機傾斜攝影測量技術(shù)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(jìn)行航攝影像獲取，為獲取像控點數(shù)據(jù)無人機飛行器平臺通常會搭載具有定位功能的設(shè)備，以實現(xiàn)航攝相片的空間定位。

本文結(jié)合無人機傾斜攝影測量技術(shù)，從已有資料分析和利用、技術(shù)路線、正射影像成圖、地形圖測繪等方面出發(fā)，詳細(xì)講述了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的技術(shù)路線。

1.傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量是對垂直航空攝影測量的突破，傳統(tǒng)的垂直航空攝影測量技術(shù)易發(fā)生地物被遮擋現(xiàn)象，而傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)了多角度、多方位的數(shù)據(jù)獲取，避免了因視線遮擋而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題[4]；影像數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后呈現(xiàn)出立體化的視覺感受，經(jīng)處理過的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)可自動生成立體模型，可作為地形圖的量測依據(jù)；影像數(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù)質(zhì)量更清晰、精度更準(zhǔn)確[5]。

2.工程實踐

2.1 測區(qū)概況

測區(qū)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(jīng)117°11′-117°44′之間。漳平市共設(shè)11 個鎮(zhèn)，3個鄉(xiāng)，2 個街道辦事處，179 個行政村。本文主要工作內(nèi)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(shù)路線

無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地理信息資源獲取的主要技術(shù)路線如下：收集整合測區(qū)內(nèi)已有數(shù)據(jù)資料，對測區(qū)內(nèi)原始數(shù)據(jù)包括已有地形圖和控制點進(jìn)行分析整理；根據(jù)測區(qū)地形地貌、氣候條件等原因設(shè)計外業(yè)采集方案，內(nèi)容包括布設(shè)像控點、航線設(shè)計、飛行周期、飛行高度等；執(zhí)行外業(yè)采集任務(wù)，完成航測采集；航飛影像數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查主要檢查相片和POS 對應(yīng)關(guān)系是否一致，篩選質(zhì)量較好清晰且無遮擋的影像數(shù)據(jù)，對存在多數(shù)影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的現(xiàn)象應(yīng)進(jìn)行重新采集；采用RTK 技術(shù)獲取像控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將完成刺點的相片進(jìn)行與像控點坐標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后進(jìn)行空三加密；檢查空三加密成果精度檢驗后進(jìn)行數(shù)字高程模型(DEM)的制作，由于測區(qū)地物復(fù)雜以及人為建筑的影響，需要對數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行人工編輯；以高精度的數(shù)字高程模型DEM 為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字線劃圖(DLG)的生產(chǎn)，主要過程包括在空三加密基礎(chǔ)上進(jìn)行DEM 數(shù)據(jù)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(chǎn)DLG 主要過程包括在空三加密基礎(chǔ)上恢復(fù)立體像對、立體采集、外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)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(qū)范圍二等控制點186 個，三等控制點72 個。包括測區(qū)城市坐標(biāo)系、2000 國家大地坐標(biāo)系、1980 西安坐標(biāo)系三套坐標(biāo)系成果。控制網(wǎng)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(yè)調(diào)繪等工作時，2000 國家大地坐標(biāo)系與測區(qū)城市坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算。

圖1 2017 年測區(qū)市域二等控制網(wǎng)

圖2 2017 年測區(qū)市域三等控制網(wǎng)

2.4 正射影像圖制作

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

2.4.1 原始資料準(zhǔn)備

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

2.4.2 建立工程導(dǎo)入數(shù)據(jù)

（1）建立工程。打開Pix4 Dmapper 主界面，單擊項目—新項目設(shè)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(biāo)系默認(rèn)為WGS84 坐標(biāo)系，無需更改，從文件中導(dǎo)入地理定位和方向，其他不變，完成后點擊Finish 即進(jìn)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(jìn)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(zhì)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(shè)置相機模型。

國內(nèi)外研究報告指出，甲醛是許多水產(chǎn)品的一種代謝中間產(chǎn)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(chǎn)品中內(nèi)源性甲醛的主要前體物質(zhì)是氧化三甲胺，是魚鮮美味道的主要來源。目前認(rèn)為水產(chǎn)品中內(nèi)源性甲醛主要通過2種途徑產(chǎn)生：一為生物途徑，氧化三甲胺可在內(nèi)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(fā)生變化，影響水產(chǎn)品的品質(zhì)和風(fēng)味。此外，體內(nèi)脂質(zhì)的氧化或過氧化、氨基酸的代謝，以及脫甲基反應(yīng)也可產(chǎn)生甲醛；甲醛亦是嘌呤、胸腺嘧啶生物合成的中間產(chǎn)物。

（4）加入控制點。控制點必須在測區(qū)范圍內(nèi)合理分布，通常在測區(qū)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(shù)來提高高程精度）。控制點不要做在太靠近測區(qū)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(xiàn)在對話框中，進(jìn)行逐個刺出控制點。選擇導(dǎo)入像控點命令，在對話框中設(shè)置像控點坐標(biāo)系、導(dǎo)入像控點文件（csv 格式）。

刺點，在左側(cè)的圖像列表中選中圖像，右側(cè)就會顯示出該圖像。在對應(yīng)的位置上，鼠標(biāo)左鍵擊圖像中的點，標(biāo)出控制點位置。一個控制點最少要在2 張圖像上標(biāo)出來，通常建議標(biāo)注在3—8 張圖像上。在質(zhì)量報告中會顯示是否需要在更多的圖像上標(biāo)出控制點。設(shè)置完成控制點導(dǎo)入。

2.4.3 數(shù)據(jù)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(zhì)量報告，質(zhì)量報告內(nèi)主要內(nèi)容包括：區(qū)域網(wǎng)空三誤差、自檢校相機誤差、控制點誤差。

區(qū)域網(wǎng)空三質(zhì)量分析。區(qū)域網(wǎng)空三質(zhì)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(qū)域網(wǎng)空三質(zhì)量報告

相機自檢校分析。相機自檢校質(zhì)量報告（如圖4 所示）：其中Initial values 和Optimized values 兩個參數(shù)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(shù)設(shè)置出現(xiàn)問題），同時R1、R2、R3 三個參數(shù)不能大于1，否則可能出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲現(xiàn)象。

圖4 相機自檢校質(zhì)量報告

控制點質(zhì)量分析。控制點質(zhì)量報告（如圖5 所示）：從質(zhì)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(dá)到了0.03m，點擊主頁面左側(cè)點位4和5 進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。將每個點位的圖標(biāo)移動到精確的位置，并依次對每張進(jìn)行重新刺點處理，處理完成后點擊優(yōu)化。對誤差較大的4 號點、5 號點進(jìn)行同樣處理，選擇菜單欄進(jìn)行重新優(yōu)化，再次生成質(zhì)量報告。

圖5 控制點質(zhì)量報告

2.4.4 正射影像編輯輸出

完成質(zhì)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(diào)整拼接線—投影切換—混合影像—正射影像成果。

調(diào)整拼接線：根據(jù)生成的初步成果，調(diào)整拼接線，由于房屋以及道路在圖像拼接的時候容易出現(xiàn)扭曲、錯位，所以影像上的房屋以及道路為重點調(diào)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(xiàn)象，然后進(jìn)行人工檢查，個別影像需要人工操作切換影像以達(dá)到更好的成像效果[8]。

混合影像：進(jìn)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(shè)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(xiàn)有項目創(chuàng)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(jìn)行初步處理。檢查質(zhì)量報告，注意因為融合了兩個測區(qū)，所以每個測區(qū)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(qū)）。

軟件進(jìn)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(biāo)，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(yōu)化(Reoptimize)，重新生成質(zhì)量報告，檢查質(zhì)量報告。現(xiàn)在兩個測區(qū)已經(jīng)合并在一起只有1 個塊，Dateset 中沒有提示不合格。

同時，質(zhì)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(diào)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(qū)繼續(xù)與其他測區(qū)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(dǎo)入 EPS 軟件中，并進(jìn)行某區(qū)塊的全要素采集。完成要素采集后，導(dǎo)出DWG 格式文件。選擇南方CASS 軟件配置后，導(dǎo)出的DWG 格式文件時，可直接對應(yīng)CASS 的要素層、代碼、線型、線寬等。然后在南方CASS 中對地形圖進(jìn)行進(jìn)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(yè)調(diào)繪

外業(yè)調(diào)繪方法原則上利用航測內(nèi)業(yè)初編的線劃圖進(jìn)行實地調(diào)查測繪，主要工作為內(nèi)業(yè)采集數(shù)學(xué)精度的檢測、地物補測、房檐改正、碎部高程測量、地理名稱調(diào)繪和其他地物地貌的調(diào)繪、補繪等。調(diào)繪圖件需標(biāo)識調(diào)繪人員、檢查員、調(diào)繪日期。

2.7 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

地形圖采集成果采用地區(qū)城市坐標(biāo)系。同時利用控制成果，選取能夠均勻覆蓋項目區(qū)域的同名控制點，并與計算RTK 轉(zhuǎn)換參數(shù)所用控制點位一致，計算測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將地形圖數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)化一套2000 國家大地坐標(biāo)系數(shù)據(jù)。并將轉(zhuǎn)換后成果按規(guī)格進(jìn)行分幅裁切和圖廓整飾，同時也為下一步地名地址調(diào)查、質(zhì)量控制與檢測驗收提供便利。

3.結(jié)束語

現(xiàn)階段互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，隨著5G 技術(shù)的普及，大數(shù)據(jù)下的地理信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)將會被人們廣泛應(yīng)用在生活生產(chǎn)中，時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)刻不容緩。本文以構(gòu)建時空信息云平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)階段為例，詳細(xì)介紹了其數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程，重點從數(shù)據(jù)采集、正射影像圖制作、地形圖測繪等方面講述智慧城市數(shù)字化建設(shè)過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作方式方法，可為此類項目作為參考。