工業級航測相機在河道帶狀地形的測試分析

張巧巧

（遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000）

1 引言

水利基礎建設的各個領域中，無人機航測已得到了廣泛的運用，技術日趨成熟，是獲取實時高分辨率影像數據和大比例尺地形圖數據的重要手段，有效助力于水庫建設、管線鋪設、河道治理等水利項目。由于貴州水利項目多山地地形，三維建模裸眼測圖技術根本不適用于植被茂盛和地形起伏多等高線的地區，測圖基本以立體模型采集為主。當前無人機都是搭載普通的消費級微單相機進行作業，該類相機存在的鏡頭畸變大、易跑焦等缺陷，會導致影像畸變剔除不徹底，立體模型精度差等問題。為保證立體測圖的精度，需要利用多余的航帶進行約束，并且需要參照大量的檢查點進行測圖，所以不管測區是面狀或者帶狀，都按照面狀進行航飛作業，大幅度增加了內外業工作量。

航測工業級相機如哈蘇、飛思等其實早已運用于攝影測量領域，只是早期該類相機由于重量過大，基本都是載人飛機或者中大型無人機搭載。但是現在已有適用于普通無人機的產品，其具有的像幅大、照片清晰度高、鏡頭畸變可剔除等優點，且航測工業級相機具有牢固的結構，可滿足高強度長期使用需求，可拆卸部件采用防松動的緊固措施，高度可靠，可完全用于各種航測作業。本文旨在結合河道帶狀地形采用兩條航帶少像控點對航測工業級相機進行作業測試分析。

2 項目應用

2.1 項目概況

測試項目位于貴州省遵義市新浦區三壩河河道治理工程，河道中心線長1.78 km，地勢平坦，實驗目標精度為河道帶狀1 ∶1000 地形圖立體采集要求。范圍為：東西107°1'30.13"-107°2'7.70"，南北27°40'56.06"-27°41'35.37"。航線布設方向與河道走向一致，左右岸各一條航帶分布，航飛區域可覆蓋直線長1.35 km，寬0.4 km。飛行1 個架次獲取了66 張影像，并且在測區內設置了河道首尾2 個輔助空三解算控制點和13 個平高檢查點，測區情況見圖1。

2.2 作業規劃

測試設備采用四旋翼無人機搭載工業級航測相機iXM-100MP（焦距35 mm，像素1 億，采用的是索尼1 億像素背照式中畫幅傳感器IMX461（43.9 mm×32.9 mm），可提供83dB動態范圍，ISO 50-6400，每秒3 張連拍），并配套GPS 高精度后差分模塊一體作業，可直接獲取照片的線元素坐標，可以輔助免像控或者少像控航測內業解算和測圖。航線航高設置350 m，地面分辨率4 cm。

iXM-100MP 是首款搭載1 億像素的44 mm×33 mm 中畫幅CMOS 相機，為了此款航拍相機，飛思推出了全新的Phase One RSM卡口，以滿足航拍相機對體積和重量的控制要求。此款航測相機主要亮點可歸納如下：①1 億像素傳感器；②更長的作業時間；③輕盈的機身大小；④工業級機身與航空鏡頭，適用于嚴苛的工作環境；⑤全面支持無人機應用；⑥按路徑點/固定基線/等時間隔智能觸發相機；⑦支持帶路徑點的飛行設計應用。

通過工業級航測相機的使用，可捕捉高分辨率圖像，擴大單次飛行的覆蓋面積，為專業人員提供無限的航拍數據，有利于簡化測繪流程，節省相關的測繪時間、資金和人力。

2.3 影像清晰度

影像數據的質量直接決定內業處理的精度，分辨率越高，清晰度越高，那么對應的解算結果精度就越高。普通消費級的微單相機在作業中很難對準焦，且易跑焦，就會導致影像數據不清晰，地物模糊的現象。然而工業級的航測相機獲取的影像清晰度高，影像邊緣也不會出現模糊，跑焦的情況，見圖2～圖3。

圖2 專業相機（地物清晰）

圖3 普通相機（地物模糊）

2.4 少像控作業

目前高精度差分技術已廣泛運用于各類無人機航測系統，可直接獲取線元素坐標，甚至角元素數據，但是由于搭載的是普通微單相機，畸變不好處理，基本只能實現少像控正射影像的生產和三維模型數據生產，因為這兩類數據不完全依賴于立體模型精度，處理軟件的計算機視覺算法等技術可以彌補高程精度的不足。但是基于立體采集的航測作業，該類微單相機盡管可以減少空三解算的像控點數量，但是不能解決模型接邊的問題，即不能減少立體采集參考檢查點的數量。因為需要依賴檢查點篩選精度更可靠的模型進行采集，所以基本沒有減少外業像控的工作量，也沒有減少內業采集的工作量，只是減少了空三刺點的數量。航測工業級相機理論上是可以實現少像控立體采集作業，該類相機鏡頭影像清晰，畸變穩定可剔除，立體模型精度好，無接邊誤差，不依賴檢查點進行立體模型篩選，所以可以大量減少外業像控點數量，也可以減少內業立體篩選的時間提高工作效率。

2.5 相機畸變參數

數字攝影測量相機在進行作業時，由于畸變的存在，使像點偏離原有的成像位置，物方的位置關系在像方得不到正確的映射，降低了攝影測量成果的質量和精度［4]。航測作業相機需要檢校的參數主要包括相機主距f，像主點偏移x0、y0，徑向畸變參數k1、k2、k3，切向畸變參數p1、p2。徑向畸變即對稱畸變在以像主點為中心的輻射線上，輻射距離相等的點，畸變相等；切向畸變即非對稱畸變是因物鏡各組合透鏡不同心所引起，其畸變大小一般是對稱畸變的1/3。普通相機畸變去除不徹底，就會導致立體模型精度差，地形有起伏，模型接邊誤差大等現象。

2.6 處理流程

本次測試由于擁有高精度poss 數據，所以只用該河道首尾兩個控制點結合poss 數據進行聯合平差處理，實現少像控航測作業，通過空三解算，最終采用空三報告精度和立體采集精度進行評定，流程見圖4。

圖4 航測數據處理流程

3 檢查點誤差統計與精度分析

3.1 規范要求

根據《GBT 23236-2009 數字航空攝影測量 空中三角測量規范》要求：由于該河道地形起伏不大，視為平地，規范要求成圖比例尺1∶1000 地形為平地，基本定向點平面位置中誤差平面0.3 m，高程中誤差0.2 m。通常實際航測作業平地或者山地空三精度控制均在0.2 m 左右，中誤差越小，越能保證立體采集的精度。

檢查點的平面中誤差、高程中誤差分別按以下公式計算：

式中：m1為檢查點中誤差，m；Δ 為檢查點野外實測值與解算值得誤差，m；n 為參與評定精度得檢查點數。

3.2 空三報告

如圖1、表1 所示，圖上兩個控制點x4、x11 類型為CONTROL 和高精度poss 聯合進行空三平差，其余CHECK 的點均是檢查點，只參與精度檢查。表中精度顯示完全滿足1∶1000 控制點及檢查點精度要求，中誤差5 cm 左右，實際達到了測量規范成圖1∶500 的精度。由于水利項目地形圖可直接用于設計及施工，所以對航測精度提出了更高的要求，并且立體采集基本也達不到軟件解算的理論精度，立體采集精度基本是定向控制點中誤差2 倍左右。

表1 空三報告中控制點及檢查點精度 單位：m

3.3 立體采集

如表2 所示，導出空三成果組建立體模型，在立體采集檢查點坐標高程進行對比，結果顯示高程中誤差8 cm，并且兩條航帶精度良好，立體環境下沒有出現模型地形起伏、模型視差、模型接邊誤差等問題，每個模型均可立體采集。

表2 立體采集檢查點高程與實測誤差 單位：m

4 結語

本文結合河道帶狀地形采用兩條航帶少像控點進行作業測試分析，結果顯示工業級航測相機完全可以滿足該河道帶狀1∶1000 地形圖立體采集要求，模型精度好，基本沒有視差、沒有地形起伏、沒有模型接邊誤差等，可大幅減少外業像控點及檢查點數量，有效提高內業立體采集速度和精度。工業級航測相機提供的高質量影像數據讓大面積或者更長帶狀地形的測區進行少像控點航測立體采集作業成為可能。但是該試驗也存在很多不足之處，如：對于地形起伏大的山地還沒有進行作業測試；該測試結果是否適用于大面積或者更長帶狀地形仍需進行作業測試。