水利工程大比例尺數(shù)據(jù)處理中無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)的應(yīng)用

李根橋

（廣東百盛建設(shè)工程有限公司，廣東 江門 529000）

在水利工程的設(shè)計中，通常會通過計劃建設(shè)區(qū)域內(nèi)的比例尺數(shù)據(jù)進(jìn)行采集來為水利工程的設(shè)計提供相關(guān)設(shè)計基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的大比例尺繪圖方式往往是通過人工實(shí)測解析的方式來完成的。這種方式測的方式能夠提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是在實(shí)際測量的過程中如果測量的面積較大就會導(dǎo)致人工測量的方式會出現(xiàn)測量過程復(fù)雜、周期性較長以及人員資金投入量大等一系列問題。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)的影像處理軟件效果的提升，使無人機(jī)技術(shù)在大比例尺數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢被逐漸體現(xiàn)了出來。

文章通過對無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析，研究了云點(diǎn)數(shù)據(jù)的抽稀處理以及噪聲去除等相關(guān)的工作，同時通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理來獲取最終的大比例尺數(shù)據(jù)。

1 無人機(jī)影像與大比例尺基礎(chǔ)測繪工程

1.1 無人機(jī)影像

無人機(jī)遙感影像技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備的工作成本比較低，并且通過無人機(jī)遙感技術(shù)在使用的過程中具有較高的靈敏性，可以根據(jù)實(shí)際情況來做出相應(yīng)的調(diào)整。無人機(jī)遙感影像技術(shù)是對衛(wèi)星遙感和航空遙感技術(shù)的補(bǔ)充，并且一些性能還優(yōu)于二者，無人機(jī)影像在使用的過程中由于無人機(jī)的種類的多樣化能夠與多種型號的攝影相機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的搭配[1]，這樣不同的搭配方式能夠在同一區(qū)域內(nèi)獲得更多不同類型的影像信息和數(shù)據(jù)資料。

1.2 大比例尺基礎(chǔ)測繪工程

基礎(chǔ)測繪就是針對某一區(qū)間或者空間進(jìn)行區(qū)域內(nèi)土地情況、面積大小等信息進(jìn)行地形圖的測繪測量工作。當(dāng)前我國對于地形圖的大比例尺主要包括1:100、1:500、1:1000、1:2000 和1:5000 等很多種。當(dāng)然也會存在更大比例尺的地形圖測繪，在測繪過程中對于面積在100Km2以下的地形圖測繪可以根據(jù)自身經(jīng)驗和相關(guān)知識將大比例尺地形圖的成圖面積設(shè)置在25-50Km2的范圍內(nèi)。

2 無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)

隨著無人機(jī)設(shè)備的發(fā)展，無人機(jī)的軟硬件設(shè)施的質(zhì)量越來越好，通過無人機(jī)來記性影像的獲取就更加方便，所以無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)在這基礎(chǔ)上就迅速發(fā)展了起來。通過對計算機(jī)視覺立體重建的方式能夠?qū)o人機(jī)獲取的影像進(jìn)行更加細(xì)致的處理，這樣就對無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)的精度和質(zhì)量進(jìn)行了有效的提升。通過影像匹配的方式可以對無人機(jī)獲取的影像進(jìn)行自動化的處理，并通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行密集匹配的方式就能夠?qū)y量區(qū)域進(jìn)行相關(guān)的三維點(diǎn)云的構(gòu)建，同時在這過程中能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的地貌紋理特征與色彩進(jìn)行保留，能夠從這些信息中分析出大量的線性信息和邊緣紋理特征。在這過程中相片紋理的質(zhì)量能夠決定匹配的效果。目前用于無人機(jī)攝影的相機(jī)大多是普通的民用相機(jī)設(shè)備，而不是較為專業(yè)的測量相機(jī)，這就導(dǎo)致在進(jìn)行影像收集的過程中所獲得的影像都會存在加大的光學(xué)畸形。所以在實(shí)際的操作中需要對無人機(jī)進(jìn)行光學(xué)定標(biāo)的方式來獲取相關(guān)光學(xué)畸形的相關(guān)參數(shù)，這樣就能夠?qū)τ跋竦墓鈱W(xué)畸形進(jìn)行糾正，保證影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，處理完成的影像結(jié)合POS 數(shù)據(jù)和店面布置的控制點(diǎn)的方式來進(jìn)行空三加密，這樣就能夠得到最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。

3 實(shí)驗設(shè)計與技術(shù)路線

實(shí)驗選擇某水利工程的防洪段來作為測量區(qū)域，無人機(jī)的工作任務(wù)是對防洪段進(jìn)行遙感攝像，然后生成該區(qū)域1:1000 的DEM 數(shù)據(jù)。在這過程中選用的無人機(jī)攝影系統(tǒng)為縱橫CW-10 固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)，并搭載SONY-ILCE7R 相機(jī)以及POD 平臺，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。然后根據(jù)《低空數(shù)字?jǐn)z影測量外業(yè)規(guī)范》的相關(guān)要求來進(jìn)行無人機(jī)航向和高度的設(shè)定[3]。將無人機(jī)的測區(qū)相對高度設(shè)計為390m，航向重疊度設(shè)置成80%，旁向重疊度設(shè)計成50%，并將影像分辨率設(shè)計為0.05m，然后來對該區(qū)域進(jìn)行照片的拍攝。無人機(jī)按照《1:500、1:1000 地形圖航空攝影測量外作用規(guī)范》的相關(guān)要求沿航向、旁向來布設(shè)相關(guān)的相片點(diǎn)的布設(shè)，在這過程中航向間的布點(diǎn)間隔可以設(shè)置為300-400m，同時沿方向的布點(diǎn)間隔也設(shè)置成300-400m。最后將每個控制點(diǎn)作為平高檢查點(diǎn)，以方便為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供相應(yīng)的地理參考。

表1 無人機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 解析空中三角測量

解析空中三角測量對于高精度的航空測量應(yīng)用具有非常重要的作用。無人機(jī)在進(jìn)行攝影的過程中所搭載的相機(jī)不是專業(yè)的測量相機(jī)，所獲得的影像資料在經(jīng)過自由平差處理之后會存在掉片或者扭曲變形的情況，這樣就需要對無人機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的檢校，這樣的方式能夠保證空三加密的精度和穩(wěn)定性[4]。然后選取PhotoScan 作為空三加密數(shù)據(jù)解算的方式，結(jié)合相應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)和高程誤差數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對空三精度進(jìn)行相應(yīng)的評價，如表2 所示。

表2 像控點(diǎn)精度（單位：cm）

4.2 無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云濾波

無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)會因無人機(jī)的影像色調(diào)、空三加密精度和相機(jī)校驗等因素而產(chǎn)生影響，這些影響會以噪聲、失真和空洞的方式在匹配點(diǎn)云中表現(xiàn)出來，這樣的情況就會影響到后續(xù)DEM 數(shù)據(jù)處理的效果。要想保證DEM 數(shù)據(jù)處理的效果就需要通過TerraSolid 的方式來對無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理。

在這過程中首先是對水域進(jìn)行置平處理，河流和池塘等水域具有較高的反射率，這樣的高反射率區(qū)域在無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云中就會表現(xiàn)成粗點(diǎn)的形式。對其解決的方式是對區(qū)域的水域進(jìn)行外圍線和高程的實(shí)測，并通過TMODEL 模塊中的Fix Elevation 選項與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合的方式來進(jìn)行修正。

其次是植被的濾波處理，對低矮植被密集覆蓋的區(qū)域進(jìn)行有效的濾波處理是保證無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)對地面分類算法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，修正的方式可以用地面算法中的Max building size 來進(jìn)行，但是這種方式存在一個缺點(diǎn)就是會導(dǎo)致后續(xù)的DEM 數(shù)據(jù)處理的過程中出現(xiàn)細(xì)微地貌特征被忽略的情況[5]。也可以采用另一種修正方式來進(jìn)行處理，通過植被指數(shù)類算法，將點(diǎn)云的色彩信息進(jìn)行分波段分類構(gòu)建，具體的算法如公式（1）所示，其中R、G、B 表示的是點(diǎn)云的色彩信息。

再次是對處理過程中的噪點(diǎn)的去除，噪點(diǎn)的主要分為低點(diǎn)和表面噪聲兩種形式，其中低點(diǎn)就是地面點(diǎn)分類中明顯低于地面的粗差點(diǎn)，對于這類噪點(diǎn)的處理方式是通過Low points 算法來進(jìn)行去除。然后是表面噪聲點(diǎn)，變現(xiàn)形式是在進(jìn)行地面處理的過程中會形成地面粘連在一起的噪點(diǎn)，對地面噪點(diǎn)的處理需要對地面建筑的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行相應(yīng)的改善，通過Surface points來對無人機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方式來實(shí)現(xiàn)對地面噪聲點(diǎn)的處理。

最后需要對地面點(diǎn)進(jìn)行提取。地面點(diǎn)提取的方式是通過TerraSolid 地面點(diǎn)提取算法來進(jìn)行，在這過程中需要通過建立相應(yīng)的迭代三角網(wǎng)，然后從原始采樣點(diǎn)中選取一個最低點(diǎn)的方式來作為三角網(wǎng)的種子點(diǎn)，并以這個種子點(diǎn)和迭代三角網(wǎng)的角度和距離實(shí)現(xiàn)對地面點(diǎn)的閾值進(jìn)行篩選，直到這個三角網(wǎng)不會出現(xiàn)其他地面點(diǎn)為止。這個算法的關(guān)鍵參數(shù)是Max building size，Max building size 過大或者過小都會對地面點(diǎn)的提取產(chǎn)生影響，參數(shù)過大就會導(dǎo)致地貌特征失真，參數(shù)過小則會導(dǎo)致對非地面點(diǎn)進(jìn)行誤分類。所以需要對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的建筑物的中位數(shù)來進(jìn)行相關(guān)尺寸的設(shè)計從而保證店面點(diǎn)提取的準(zhǔn)確性。通過這樣的方式進(jìn)行濾波處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還是存在著一定的問題，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分布會存在著大量的孔洞以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類可能存在一定的錯誤，這樣就需要對處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行更加細(xì)致的精細(xì)化處理，通過精細(xì)化編輯的方式來對局部的細(xì)小凸起進(jìn)行處理，可以用Inpho 軟件的CTM模塊來對孔洞進(jìn)行插值處理。

4.3 DEM 數(shù)據(jù)高程渲染及精度平度

首先是色彩的渲染，將處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Glo bal Mapper 中進(jìn)行三角網(wǎng)模型的構(gòu)建，通過高程的方式來實(shí)現(xiàn)對色彩的渲染。然后是外業(yè)在對地貌特征進(jìn)行估計的基礎(chǔ)上來對平坦區(qū)域內(nèi)的檢查點(diǎn)進(jìn)行均勻的采集，在這過程中需要注意的是保證檢查點(diǎn)與像控點(diǎn)相同。通過對檢查點(diǎn)的采集然后以檢查點(diǎn)位基準(zhǔn)來對DEM 進(jìn)行精度的評定[6]。這個過程可以用公式（2）來表示，在這個公式中m 表示的是DEM 高程中誤差，Δ則表示的是DEM 的高程與實(shí)測高程之間的差值，n 則表示在進(jìn)行精度評定過程中所采用的檢查點(diǎn)的個數(shù)。

通過對DEM 數(shù)據(jù)與檢查點(diǎn)高程對比的統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)在這過程中兩者之間的最大誤差為0.175m，兩者之間的最小誤差則為0.016m。所以通過對數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)DEM 的高程中誤差值為0.094m，這個誤差值的大小完全符合1:1000DEM 的規(guī)范要求。

5 結(jié)語

綜上所述，本文通過對無人機(jī)測繪技術(shù)和大比例尺測繪工程進(jìn)行了介紹，并對無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行了分析，然后制定了相應(yīng)的無人機(jī)測繪實(shí)驗以及對測繪的相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和處理。通過實(shí)驗可以發(fā)現(xiàn)無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于水利工程等相關(guān)的大型建設(shè)項目的前期測繪工作中，并且能夠?qū)y繪區(qū)域內(nèi)的地貌的線性結(jié)構(gòu)特征、地物地貌三維信息進(jìn)行有效的測繪。通過無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)能夠?qū)^(qū)內(nèi)的地貌特征信息進(jìn)行有效的提取。所以無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于水利工程中的各項工作中去，為水利工程工作的開展提供方便。