無人機免像控垂直三維模型在城鎮排污地形圖中的應用探討

余 憶

（遵義水利水電勘測設計研究院（有限責任公司）,貴州 遵義 563000）

1 項目概況

該項目位于綏陽縣,項目涉及縣城整個城區,需要測出城區1∶1000地形圖。測區跨度最大10 km左右,航飛面積大概50 km2。測區主要地物包括大量高層建筑物及少量中高層、多層建筑,大量的城區道路及其他的附屬設施（見圖1）。項目主要特點是測區主要為城市,涉及地物較多,但地勢較為平坦,沒有太大的地形起伏。因此,項目主要問題在于工作量大,精度要求高。

圖1 綏陽縣城概圖

2 免像控技術

繼工程測量之后無人機航測在測量的效率上已經是有了翻天覆地的變化了,但在野外像控這一方面仍然需要一定的工作量。隨著無人機差分及后差分技術的出現,使免像控航測成為可能。而無人機航測的主要誤差正是來源于POS精度、相機畸變、及航飛地面分辨率[1]。

高精度差分數據。目前市場用于航測的PPK技術（后差分技術）在航飛pos上已經可以達到厘米級的相對定位精度,通過基準站進行坐標轉換即可得到想要的坐標系。但是得到的高程是大地高,項目往往需要的正常高,因此還需要大地高與正常高的轉換。

大地高與正常高之間就是差一個高程異常值,而這個高程異常值隨地形的起伏變化較大,因此通過重力場模型來解算高程異常值,通常采用EGM2008,該模型精度較高,解算的高程異常數據誤差較小,但仍然需要外業測量少量準確的高程異常來修正誤差。

相機畸變。相機參數的準確性直接影響航測的整體精度,特別是畸變參數更是航測的主要誤差來源。因此,首先在相機的選擇上需要選擇畸變較小的相機。在空三計算時,也需要對相機參數進行一個反算,并且需要通過空三結果判斷相機參數反算的準確性,數據質量差時,有時候還需要多個軟件進行計算。

3 影像數據地面分辨率

地面分辨率同樣也是航測的主要誤差來源之一,影像分辨率越高,在空三計算過程中及人工采集數據時,對于影像的判讀精度將會越高[2]。因此,在航飛過程中,也需要按照成圖比例尺對地面分辨率做一定的把控,綜合地形起伏,把握效率與精度,控制航高,保證足夠的地面分辨率。

4 空三效率及建模效率

該項目中采用無人機PPK技術,通過EGM2008重力場模型及少量實測高程異常值修正,得到精確的POS數據。采用畸變較小的相機,并反算相機參數,修正相機畸變。航飛時控制地面分辨率平均為2.6 cm。

以該數據做免像控空中三角測量,與傳統空三相比,免去了空三刺點這一過程。在效率上,減少了測點的時間、控制點平差的時間,且讓空三這一過程減少人工干預的環節,使空三更加簡便,自動化程度更高。

在此空三的基礎上,通過生產的正射影像（DOM）與數字地表模型（DSM）,構建垂直三維模型。該模型相對于常見的實景三維模型,由于它缺少側面數據,所以該模型無論是在空三過程中還是建模過程中,它所需要的時間都遠小于實景三維模型。而側面數據對于城鎮排污地形圖測量項目來說并不是必要數據,因此以垂直三維模型來生產地形圖是具有高效率與可行性的。最終項目分成15 個小區,由4 臺電腦在三天之內完成了這48 km2的空三及建模。

5 空三精度

空三時,通過對檢查點刺點檢查,得出如下空三精度情況統計：

通過圖2 可以看出,該分區中通過免像控技術做出的空三成果精度已經非常理想,X方向最大誤差-0.074 m,Y方向最大誤差-0.094 m,高程最大誤差-0.272 m,X方向中誤差0.032 m,Y方向中誤差0.050 m,高程中誤差0.130 m,而對15 個分區空三精度整體統計結果為平面中誤差0.073 m,高程中誤差0.091 m。根據航測空三規范,該成果完全滿足1∶1000地形圖生產需要,免像控技術在該項目中的利用具有可行性。根據對各個分區誤差較大檢查點的分布情況,誤差分布仍然呈一般航測的誤差特點,靠近分區邊緣誤差較大,而測區中心誤差較小,因此在空三處理時需要注意盡量減少分區,在成圖時盡量避開分區邊緣,且航飛時也應該注意分區邊緣應有一定的重疊度、航飛范圍應大于成圖范圍一定寬度。

圖2 最弱分區空三精度報告

6 垂直三維模型精度

在所有分區模型上通過對均勻分布的111 個檢查點進行測量打點,再與外業測量的檢查點相比,得出以下模型精度統計（見圖3）。

圖3 項目整體空三精度統計表

通過圖4可以看出,檢查點殘差在X方向最大不超過0.2 m,在Y方向最大不超過-0.2 m,高程最大殘差不超過0.4 m,經統計計算最終平面中誤為0.070 m,高程中誤差為0.118 m。根據航測1∶1000地形圖測量規范,該模型完全滿足1∶1000 地形圖生產要求。

圖4 檢查點殘差圖

7 運用優勢

7.1 畫圖效率

在縣城排污項目中,測區以城市建筑為主要要素,而對于測量來說,只要以高程點、房屋、道路為主要要素,一般沒有太多的地形起伏。而對于垂直三位模型來說,房屋、道路非常直觀的出現在畫圖人的眼里,可以非常高效的畫出房屋及道路邊線。而高程點更是可以快速的在模型中測量出來,而且在一定的條件下可以直接快速自動提出。因此,使用垂直三維模型生產縣城排污地形圖是具有一定效率的。

7.2 采集優勢

目前,使用航測測圖,主要為實景三維模型測圖、與立體測圖[3]。垂直三維模型與實景三維模型測圖方法基本相同,僅僅是以犧牲測圖時不必要的側面數據,來大量提升了模型從航飛、空三到建模整個過程中浪費的不必要時間。而與立體測圖相比,一方面該模型為一塊整體的直觀模型,減少了立體測圖需要逐個切換立體相對的時間,且為了方便立體相對放大縮小與切換的流暢程度,往往立體測圖還要浪費大量時間做核線重采樣。另一方面,垂直三維模型采集數據僅需要在模型上直接打點、畫線,而立體測圖還需要手動調整高程,才能測出準確的高程值,而這正是立體采集中大部分時間要做的事情。因此,垂直三維模型在縣城排污地形圖測量中是具有明顯優勢的。

7.3 畫圖精度

在縣城排污項目中,與立體測圖相比,垂直三維模型測圖在精度上也占有一定的優勢[4]。其一,對于立體測圖來說,同樣的空三結果,有些立體相對會因部分影像誤差大的問題,與空三結果出現較大浮動的,因此在立體測圖時,往往還需要加入一定量的檢查點參考才能保證測圖成果的可靠性,而垂直三維模型僅需少量檢查點保證空三精度,即可保證測圖成果的可靠性；其二,立體測圖在高程測量中是通過測量員的立體視覺感官來判斷的,無論如何都會存在一定的人為誤差,而且跟測量員的經驗關系很大,經驗不足很容易造成高程誤差大。而垂直三維模型測圖是直接在模型上打點,精度直接取決于模型精度,沒有人為誤差；其二,立體測圖往往由于影像畸變糾正不完整,存在立體像對邊緣誤差大的情況,測圖是很容易造成模型接邊誤差大的情況。因此,使用垂直三維模型進行縣城排污地形圖測量在精度上具有相當的優勢。

7.4 存取優勢

對于實際生產中,通常會存在補測、或臨時需要某些地方的高程數據等現象,因此模型數據的存取也是非常重要的。而垂直三維模型相對于實景三維模型來說,往往僅以一個DSM的格式來存取,數據量較小,文件單一,能夠快速存取、隨時調出來使用,而實景三維模型通常保存了大量的紋理數據,造成數據量非常大,而且以瓦片格式分別儲存,涉及文件非常多,造成數據存取非常慢且所需空間非常大。對于立體測圖來說,它的數據主要是畸變后的單張影像數據,及針對畫圖軟件的空三數據,這些數據也是非常繁多、消耗空間大。因此,垂直三維模型還具有一定的存取優勢。

8 結語

通過無人機免像控垂直三維模型技術在綏陽縣城排污項目中的實踐分析,無人機免像控技術已能夠滿足1∶1000地形圖的生產要求,而垂直三維模型在城區地形圖測量中也的確有相當大的實用性。通過這兩種技術的融合,在城區地形圖的測量中能夠提高較大的生產效率,而且對于該方法生產的地形圖數據,還具有充分的可靠性。