基于無人機(jī)垂直免像控的1:500 比例尺地形圖測繪研究

星鋒鋒

（濟(jì)寧市勘測院，山東 濟(jì)寧 272000）

利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖是目前地形圖生產(chǎn)的主流方式之一。傳統(tǒng)的垂直攝影測量技術(shù)，在獲取影像后，需要采集大量的像控點進(jìn)行空中三角測量的平差解算。這為數(shù)據(jù)生產(chǎn)帶來了一定的成本，同時也影響地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)的整個進(jìn)度。隨著無人機(jī)差分技術(shù)的發(fā)展，減少甚至免除像控點成為研究的熱點之一，已有不少學(xué)者在免像控方面做了大量驗證。管威[1]等人利用消費級無人機(jī)進(jìn)行免像控數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度的檢測，實驗表明精度可以達(dá)到厘米級；尚海興[2]等人利用免像控技術(shù)，生產(chǎn)大面積風(fēng)電場的2000 比例尺地形圖，結(jié)果在精度符合規(guī)范要求的前提下，減少了大量的像控點；馬海政等人采用拓普康天狼星，從航飛前的航線規(guī)劃到后期數(shù)據(jù)生產(chǎn)，精度檢測進(jìn)行了一系列研究，證明了免像控技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)成果可以滿足大比例尺地形圖測繪精度要求。然而采用免像控技術(shù)生產(chǎn)帶狀1:500 比例尺地形圖數(shù)據(jù)的案例，目前還很少有，需要探索一套適合的作業(yè)流程，并進(jìn)行有效的推廣應(yīng)用。本文基于此，采用拓普康天狼星無人機(jī)，搭載垂直鏡頭相機(jī)，結(jié)合已有的DEM 數(shù)據(jù)，對測區(qū)進(jìn)行仿地飛行，獲取分辨率一致的影像。利用目前主流的PhotoScan 攝影測量軟件，對航攝影像進(jìn)行空中三角測量解算，得到高精度的空三加密成果。利用軟件自動化生產(chǎn)技術(shù)，得到高分辨率數(shù)字正射影像圖。利用EPS 立體采集模塊，對空三加密成果進(jìn)行立體恢復(fù)，在立體環(huán)境下進(jìn)行地形圖數(shù)據(jù)的采集，為了提高采集效率，在正射影像圖上進(jìn)行平面地物的采集，如道路等。對于內(nèi)業(yè)無法生產(chǎn)的區(qū)域，外業(yè)進(jìn)行調(diào)繪與補(bǔ)測，內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)完善與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到最終的地形圖數(shù)據(jù)成果，并采用大量的檢查點對地形圖精度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：本文的方法，生產(chǎn)的1:500 比例尺地形圖精度符合規(guī)范要求，可為同行作業(yè)人員在處理同類項目時提供有效的參考。

1 免像控技術(shù)

免像控技術(shù)，是指不使用像控點參與平差運算，目前主要指的是差分技術(shù)。差分技術(shù)是指：將一臺GPS 接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測，根據(jù)基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，計算出基準(zhǔn)站到多顆衛(wèi)星之間的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實時的將距離改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS 數(shù)據(jù)觀測的同時，也接收到由基準(zhǔn)站發(fā)出的距離改正數(shù)，并不斷地對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高了定位精度。這里的用戶接收機(jī)，在航攝中，就是指搭載的位置記錄裝備，即通常所說的POS 數(shù)據(jù)。圖1 為差分技術(shù)示意圖，圖中的流動站即指無人機(jī)搭載的位置記錄裝備。

圖1 差分技術(shù)示意圖

基準(zhǔn)站獲取其到衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3 和衛(wèi)星4的距離，并求出對應(yīng)的距離改正數(shù)，并將距離改正數(shù)發(fā)送給流動站。流動站獲取其到4 顆衛(wèi)星之間的距離，并通過接收到的距離改正數(shù)，對其坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，從而得到精確的定位坐標(biāo)。

就目前差分技術(shù)來說，主要分為實時差分和后差分，兩種方式均可以獲得高精度的POS 數(shù)據(jù)，這為免像控技術(shù)用于測繪產(chǎn)品生產(chǎn)提供了保障。后差分相對實時差分來說，并沒有實時的對流動站坐標(biāo)進(jìn)行改正，而是在定位觀測后，對兩臺GPS 接收機(jī)所采集到的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行測后的聯(lián)合解算處理，從而得到接收機(jī)所在運動的載體在對應(yīng)時間上的精確坐標(biāo)位置。

兩種方式最終都可以得到高精度的流動站位置坐標(biāo)。在數(shù)據(jù)解算時，會解算得到精度較高的外方位角元素，在實際項目運用中，由于無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性差，一般只使用其位置坐標(biāo)，并不使用其姿態(tài)坐標(biāo)。

2 基于免像控技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖作業(yè)流程

免像控主要是指在空中三角測量環(huán)節(jié)，未使用像控點進(jìn)行平差調(diào)整，而是基于高精度的GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行平差調(diào)整。在生產(chǎn)大比例尺的過程中，主要包括航飛前測區(qū)勘察和已有資料收集，空域申請，飛機(jī)和相機(jī)選擇，航線規(guī)劃和數(shù)據(jù)采集，檢查點測量，影像畸變糾正，空中三角測量解算，空三精度檢測，數(shù)字正射影像圖生產(chǎn)，數(shù)字地形圖生產(chǎn)，調(diào)繪與補(bǔ)測，精度檢測，整理與提交，檢查與驗收等，具體流程見圖2。

圖2 基于免像控技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖流程圖

3 項目驗證

3.1 檢查點測量

結(jié)合帶狀地形和居民區(qū)分布，按照均勻布點和居民區(qū)加密布點的作業(yè)方式進(jìn)行檢查點坐標(biāo)的布設(shè)。利用收集到的3 個D級GNSS 控制點，作為圖根控制點測量的起算點，用于GPS-RTK的檢核點。利用GPS-RTK 采集平高檢查點35 個，用于空三加密成果精度的檢測和最終地形圖精度的檢測。

3.2 無人機(jī)和相機(jī)選擇

結(jié)合測區(qū)情況和已有硬件設(shè)備，選用自有的拓普康天狼星無人機(jī)搭載索尼RX1R2 相機(jī)用于影像數(shù)據(jù)采集。相機(jī)像幅為7952*5304，理論焦距35mm，傳感器尺寸為4.52um。將任務(wù)區(qū)范圍線導(dǎo)入地面站軟件中，并導(dǎo)入12.5 米的DEM數(shù)據(jù)，按照正射航空攝影要求，設(shè)置地面采樣分辨率為0.045 米，航向重疊度設(shè)置為75%，旁向重疊度設(shè)置為65%。根據(jù)航高、焦距、像元大小和地面分辨率之間的關(guān)系，可求得飛行航高約為350 米。在仿地飛行中，相對航高是相對已導(dǎo)入的DEM來說的。理論上來說，仿地飛行是需要結(jié)合DSM數(shù)據(jù)的，但是通過對測區(qū)查看，沒有突變的地物或者建構(gòu)筑物，因此這里的DEM數(shù)據(jù)是可用的，這樣飛行，在保證飛機(jī)安全作業(yè)的前提下，可以獲得分辨率一致的原始影像數(shù)據(jù)，有助于后期空三加密的解算和0.05 米數(shù)字正射影像圖的生產(chǎn)。

3.3 空中三角測量解算

利用天狼星標(biāo)配的MAVinci Desktop 輸出預(yù)處理文件，通過PhotoScan 進(jìn)行空中三角測量解算。數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括刪除地面試拍影像，整理POS 數(shù)據(jù)，對原始影像進(jìn)行畸變校正等。這里主要是對原始經(jīng)緯度的POS 數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件中，進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到和檢查點同一套坐標(biāo)系下，即西安80 坐標(biāo)系，中央子午線117 度，按照高斯克呂格3 度分帶進(jìn)行投影計算。利用PhotoScan 軟件高精度、自動化的空中三角測量模塊對影像進(jìn)行空三加密解算，得到高精度的空三加密成果，像點中誤差殘差為0.31um，小于規(guī)范要求的2/3 像元大小。將檢測點導(dǎo)入到空三中，并進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，得到檢測點平面中誤差為0.163 米，高程中誤差為0.182 米，最大平面殘差為0.323 米，高程最大殘差為0.351 米，最大殘差均小于2 倍的規(guī)范要求的中誤差，成果滿足規(guī)范要求。

3.4 數(shù)字正射影像生產(chǎn)

由于航空攝影屬于中心投影，通過影像糾正，需要得到正射投影。按照光是沿直線傳播，結(jié)合相似三角形和小孔成像可知，由于地形存在高低起伏等問題，獲得的影像上的坐標(biāo)并不是其真實位置，存在投影差的問題。而空三加密得到的成果，是對地表地物進(jìn)行坐標(biāo)匹配，得到的數(shù)據(jù)成果是數(shù)字表面模型（DSM），而要使正射影像位置校正到準(zhǔn)確位置，就必須將DSM 進(jìn)行校正，對非地面點進(jìn)行編輯和濾波，得到精準(zhǔn)的DEM 數(shù)據(jù)，這樣才可以獲得更加精準(zhǔn)的數(shù)字正射影像成果。在生產(chǎn)DOM前，利用數(shù)字綠土的Lidar360 和煤航的Lidar-DP 點云數(shù)據(jù)處理軟件，對PhotoScan 得到的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行多種方式的濾波操作，得到高精度的DEM數(shù)據(jù)，將濾波后的成果引入PhotoScan 軟件中，完成后續(xù)單張影像的糾正和鑲嵌，得到最終高質(zhì)量的數(shù)字正射影像圖成果。

3.5 大比例尺地形圖生產(chǎn)

目前利用航測技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖主要有三種方式：（1）利用傳統(tǒng)的虛擬立體像對進(jìn)行地形圖采集，該方法對作業(yè)人員水平要求高，上手難，部分人員立體切不準(zhǔn)，導(dǎo)致測圖成果會超限，同時也需要專業(yè)的顯卡、手輪腳盤等配置，成本較高。（2）平面和高程分開采集，將正射影像加載到南方CASS 軟件中，在影像上直接進(jìn)行地形圖采集，采集道路、河流、建筑物等平面地物；將DSM數(shù)據(jù)導(dǎo)入濾波軟件，如LIDAR360、LIDAR-DP 等，通過一系列的濾波操作，去除噪點，過濾掉植被、樹木、建構(gòu)筑物等，得到精度較高的DEM 數(shù)據(jù)成果，然后利用DEM 采集得到高程點，利用高程點內(nèi)插得到等高線。該方法對DEM處理要求較高，要求作業(yè)人員有較高的DEM濾波經(jīng)驗，能夠通過調(diào)整不同參數(shù)，來獲得高質(zhì)量的DEM成果。（3）將高程和平面疊加后進(jìn)行采集，類似于目前主流的實景三維模型采集，數(shù)字正射影像提供平面信息，DEM提供高程信息，可以實現(xiàn)平面高程一次性采集完成，效率較高，對電腦配置要求也一般，是目前比較受歡迎的一種作業(yè)方式[4]，但是該方式在生產(chǎn)疊加三維模型時，速度較慢。本次數(shù)據(jù)生產(chǎn)，利用EPS 軟件下的立體測圖模塊，將空三加密成果恢復(fù)后，在立體環(huán)境下進(jìn)行地形圖采集，然后將采集成果導(dǎo)出到南方CASS 軟件中，進(jìn)行部分地物信息圖層屬性的完善，得到最終的地形圖成果。在恢復(fù)空三時，需要用到相機(jī)的內(nèi)外方位元素和未畸變照片，這樣恢復(fù)得到的空三精度才可以符合作業(yè)需求。

上述三種方式，外業(yè)調(diào)繪工作量基本上一致。

4 精度檢測與統(tǒng)計分析

利用35 個檢查點，按照同精度中誤差統(tǒng)計方式[5]，對地形圖精度進(jìn)行檢測。有一檢查點平面較差大于2 倍的中誤差，但是小于的中誤差，按照同精度檢測要求，該點也參與中誤差的計算，各項殘差統(tǒng)計具體見表1。

表1 各項殘差統(tǒng)計表

通過分析表1 中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，本次生產(chǎn)的地形圖，精度滿足1:500 地形圖精度需求。

5 結(jié)論

本文探討了無人機(jī)垂直攝影條件下免像控技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖的作業(yè)流程。通過對生產(chǎn)的地形圖，按照同精度的方法進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，本文的方法在免控條件下，生產(chǎn)的地形圖精度可以滿足1:500 地形圖精度要求，可為同行提供一定的借鑒意義。