遙感航測(cè)技術(shù)在公路地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用研究

翟瑞林 張馳 孫嘉祺

北京市首都公路發(fā)展集團(tuán)有限公司公路資產(chǎn)管理分公司 北京 101116

引言

公路地形圖測(cè)繪在交通建設(shè)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，公路地形圖測(cè)繪作業(yè)具有工作量大﹑綜合性強(qiáng)﹑準(zhǔn)確度要求高等特點(diǎn)，只是應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)，不僅人員﹑資金和時(shí)間資源投入較高，而且存在測(cè)繪數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足等短板，隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國(guó)公路地形圖測(cè)繪不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新，經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在公路地形圖測(cè)繪作業(yè)中合理應(yīng)用遙感航測(cè)技術(shù)，可大幅度提高測(cè)繪數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，但是惡劣天氣會(huì)對(duì)遙感航測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果造成負(fù)面影響，所以仍需探索遙感航測(cè)技術(shù)發(fā)展途徑。

1 遙感航測(cè)技術(shù)的主要測(cè)繪方法分析

1.1 測(cè)量、遙感及定位技術(shù)

當(dāng)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，尤其是對(duì)地形﹑城市規(guī)劃以及工程施工進(jìn)行測(cè)繪，大多會(huì)采用高空俯瞰測(cè)量，這時(shí)就會(huì)首先選擇遙感航測(cè)技術(shù)，提高測(cè)繪的準(zhǔn)確性。遙感航測(cè)技術(shù)是將航測(cè)技術(shù)與遙感技術(shù)進(jìn)行綜合，對(duì)二者進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大提高了航測(cè)的范圍﹑速度以及精確度。在應(yīng)用遙感技術(shù)時(shí)主要是通過波譜來識(shí)別地面的物質(zhì)，最終確定物體所在的位置。航測(cè)技術(shù)可以包括到遙感技術(shù)范圍內(nèi)，二者都與高空作業(yè)有關(guān)，但又有一定的區(qū)別，將二者融合以后，能夠使測(cè)繪更加的精確，提高識(shí)別的范圍，降低影響因素的干擾。

1.2 智能化一體技術(shù)

在運(yùn)用遙感航測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，最廣泛應(yīng)用的是智能一體化技術(shù)，這也是核心技術(shù)之一。在應(yīng)用智能一體化技術(shù)時(shí)，是將測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)全部錄入到計(jì)算機(jī)中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和篩選，能夠提高數(shù)據(jù)處理的效率，減輕工作人員的任務(wù)量，實(shí)現(xiàn)一定程度的自動(dòng)化[1]。例如，在進(jìn)行測(cè)繪過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，如果采用人工的方式去對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅會(huì)花費(fèi)很多的精力，而且會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，而應(yīng)用智能一體化技術(shù)，就可以基于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，快速篩選出需要的數(shù)據(jù)，并采用人工對(duì)篩選完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率及準(zhǔn)確性。所以，通過合理的應(yīng)用智能一體化技術(shù)，能夠發(fā)揮出更大的價(jià)值。

1.3 航空攝影與測(cè)圖技術(shù)

通過綜合傳統(tǒng)攝影技術(shù)以及科技而衍生出的航空攝影技術(shù)，在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，能夠有效避免傳統(tǒng)攝影技術(shù)的不足，傳統(tǒng)攝影技術(shù)的不足主要表現(xiàn)在當(dāng)攝影工作超出一定的高度后，精準(zhǔn)度就會(huì)大大下降，僅能夠完成特定角度的攝影工作，而應(yīng)用航空攝影技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，使攝影技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用范圍，適應(yīng)度大大提高，能夠完成高空攝影工作，并且確保獲取數(shù)據(jù)的精確性，在拍攝完成后能夠采取特定的計(jì)算方法按照一定的比例進(jìn)行精確的測(cè)量，大大提高了地形圖測(cè)繪的精確度[2]。但是，航空攝影與測(cè)圖技術(shù)對(duì)于工作人員具有較高的要求，工作人員除了需要具備高超的拍攝技術(shù)以外，還需要具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。在進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)應(yīng)用該技術(shù)，可以先進(jìn)行圖像的保存，然后再處理計(jì)算。在進(jìn)行測(cè)繪過程中，還要采取科學(xué)測(cè)圖技術(shù)才能夠確保在獲取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)影響圖像的因素，并調(diào)整誤差，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的精確度。

2 無人機(jī)遙感系統(tǒng)構(gòu)成與數(shù)據(jù)的處理

2.1 無人機(jī)遙感系統(tǒng)構(gòu)成

首先是遙感信息采集系統(tǒng)。遙感信息采集系統(tǒng)作為無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)中的重要部分，是由無人機(jī)遙感平臺(tái)﹑地面監(jiān)控系統(tǒng)以及飛行控制系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成的。

其次是遙感信息處理系統(tǒng)。遙感信息處理系統(tǒng)在無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的，包括空中三角測(cè)量系統(tǒng)﹑全數(shù)字立體測(cè)量系統(tǒng)以及遙感相片處理等。其中，空中三角測(cè)量系統(tǒng)可以基于整理好的航帶列表來確定航線的關(guān)系，內(nèi)定向影像，有效量測(cè)像控點(diǎn)，設(shè)置不同影像之間的連接點(diǎn)。全數(shù)字立體測(cè)量系統(tǒng)主要是由硬件和軟件模塊組成的，硬件包括專用立體觀測(cè)設(shè)備﹑三維鼠標(biāo)以及手輪腳盤。遙感像片處理是一種像片文件，基于多個(gè)初始文件對(duì)像片進(jìn)行處理，可以進(jìn)行航帶整理﹑畸變改正﹑質(zhì)量檢查﹑拼接以及預(yù)處理。

2.2 數(shù)據(jù)的處理流程

相較于常規(guī)的航空攝影數(shù)據(jù)，無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)，首先，采取非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影，無人機(jī)遙感鏡頭容易出現(xiàn)畸變，所以在進(jìn)行正式的測(cè)量之前，必須提前進(jìn)行校正。其次，在運(yùn)用窄像幅相機(jī)時(shí)，需要增大影像之間的重疊度，從而避免航攝出現(xiàn)漏洞[3]。再次，無人機(jī)低空遙感平臺(tái)穩(wěn)定性需要提升，雖然有一定的預(yù)防措施，但是對(duì)于高空的大風(fēng)天氣，仍然會(huì)出現(xiàn)大幅度傾斜﹑重疊度不規(guī)則的現(xiàn)象。最后，立體采集效率有待提升，尤其是在覆蓋面積小的時(shí)候，會(huì)有許多接邊工作量。從整體來看，無人機(jī)低空遙感測(cè)量流程與傳統(tǒng)航空攝影的測(cè)量流程基本相同。

3 遙感航測(cè)技術(shù)在公路地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用案例分析

3.1 無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)收獲的具體情況

新疆塔城測(cè)繪研究所于2018年6月份利用無人機(jī)機(jī)載傾斜攝像系統(tǒng)開展航空攝影，攝影的范圍是新疆塔城建鄴區(qū)，總共進(jìn)行了7架次飛行，供獲得傾斜攝影影像數(shù)據(jù)約76km2，在進(jìn)行航空攝影的過程中，攝影的高度維持在550m左右，影像地面分辨率達(dá)到了0.07m，風(fēng)力大約為4.2級(jí)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)建模，相片的重疊度要達(dá)到航向80%﹑旁向60%。在攝像完成后來檢查攝像的質(zhì)量，可以明顯看出采用無人機(jī)低空遙感技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，能夠滿足目前攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理要求。

3.2 大比例尺地形圖的測(cè)繪實(shí)踐

本次對(duì)新疆塔城建鄴區(qū)進(jìn)行測(cè)繪是屬于大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目，本次項(xiàng)目的主要工作包括測(cè)繪1︰1000地形圖以及1︰1000正射影像圖，同時(shí)，需要考慮采用無人機(jī)低空遙感測(cè)繪技術(shù)在獲取數(shù)據(jù)時(shí)可能遇到的問題[4]，例如，像幅小﹑基線短﹑重疊度不規(guī)則以及畸變大，為了對(duì)獲取得到的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行更有效的處理，對(duì)于本次所獲得的數(shù)據(jù)采用PS﹑ERDAS﹑PixelGrid進(jìn)行處理。

在進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，應(yīng)用技術(shù)時(shí)需要滿足以下幾點(diǎn)。

①當(dāng)進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)時(shí)，優(yōu)先采用區(qū)域布點(diǎn)法，間隔選取旁向兩條航線，航向8-10條基線，對(duì)于局域網(wǎng)中存在拐點(diǎn)的部位，應(yīng)額外設(shè)置平高控制點(diǎn)。對(duì)于區(qū)域當(dāng)中的像控點(diǎn)的高程和平面，以及區(qū)域玩平差中的檢查點(diǎn)，應(yīng)該采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量方法，對(duì)像控點(diǎn)WGS 84坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，然后轉(zhuǎn)換為WGS84大地坐標(biāo)，最后轉(zhuǎn)變成國(guó)家2000大地坐標(biāo)系，就能夠很好地符合項(xiàng)目的相關(guān)要求。②在無人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)處理的相關(guān)流程中，最需要攻克的難點(diǎn)就是進(jìn)行三角測(cè)量的控制，這是對(duì)于測(cè)繪精度影響最大的部分之一，尤其對(duì)大玻璃窗地形圖會(huì)造成很大影響。這是由于地形圖對(duì)于成圖的要求很高，而且航攝的主要數(shù)據(jù)源為下視數(shù)據(jù)，同時(shí)，需要對(duì)具有高重疊度的相片需要進(jìn)行抽片處理，這樣就能夠顯著降低空中三角測(cè)量的工作量。而且采用無人機(jī)低空遙感影像可能會(huì)存在較大的畸變影響，所以對(duì)于所使用的下視數(shù)字影像進(jìn)行畸變的校正，校正完成后才可以開展后續(xù)的相對(duì)定向以及連接模型等工作。③在進(jìn)行DOM制作的過程中，DSM應(yīng)該才取于精確度較高的DSM匹配算法，能夠自動(dòng)的提取測(cè)繪區(qū)域的DSM數(shù)據(jù)。在對(duì)原始影像進(jìn)行調(diào)整時(shí)，一定要選擇專業(yè)軟件進(jìn)行處理，才能夠有效進(jìn)行均光處理，降低問題出現(xiàn)的概率。對(duì)于測(cè)繪區(qū)域中影像的色調(diào)可以統(tǒng)一進(jìn)行處理，這樣能夠使處理后的影像更加接近標(biāo)準(zhǔn)色調(diào)，當(dāng)完成篩選后就可以使用PS軟件來調(diào)整影像的整體色調(diào)，從而使整體地形圖的色調(diào)的一致性[5]。對(duì)于地形圖測(cè)繪優(yōu)先選擇全數(shù)字立體測(cè)圖技術(shù)方法，該方法進(jìn)行測(cè)繪的步驟是“先進(jìn)行內(nèi)業(yè)，然后進(jìn)行外業(yè)”，并且嚴(yán)格按照“外業(yè)定性，內(nèi)業(yè)定位”的原則，并且充分利用無人機(jī)低空遙感影像數(shù)據(jù)以及空中三角測(cè)量的結(jié)果，通過充分的運(yùn)用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，全面收集測(cè)量區(qū)域內(nèi)的地貌要素以及特征。然后再通過外業(yè)對(duì)地形圖數(shù)據(jù)再次的進(jìn)行補(bǔ)充，調(diào)整地形圖的屬性，完成整個(gè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的編繪工作。

3.3 分析空中三角測(cè)量誤差的來源

這在對(duì)測(cè)繪局域網(wǎng)中進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)的精度，影響其精度的因素主要包括兩種，第一，測(cè)繪區(qū)域網(wǎng)幾何強(qiáng)度是其中之一的影響因素，包括像控點(diǎn)的精度﹑控制點(diǎn)權(quán)值的確定﹑像控點(diǎn)的數(shù)量﹑輔助數(shù)據(jù)的使用情況以及像控點(diǎn)的分布情況等。第二，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度也會(huì)對(duì)空中三角測(cè)量造成影響，包括航攝儀的種類﹑攝影材料的穩(wěn)定性﹑影像系統(tǒng)誤差的校定以及攝影的比例尺等。

通過深入分析新疆塔城地形區(qū)域中測(cè)繪加密分區(qū)的平差精度，可以總結(jié)平差精度誤差來源，包括以下幾點(diǎn)，首先是進(jìn)行外業(yè)時(shí)，像控點(diǎn)布設(shè)的位置不合理，進(jìn)而導(dǎo)致再進(jìn)行內(nèi)業(yè)量測(cè)時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)不能準(zhǔn)確的定位，從而獲取不到高精度的刺點(diǎn)。總體來說，當(dāng)進(jìn)行大比例尺地形圖的測(cè)繪時(shí)如果選擇無人機(jī)低空遙感測(cè)繪技術(shù)來完成測(cè)繪工作，需要對(duì)具有較高測(cè)繪難度的區(qū)域提前布設(shè)像控點(diǎn)的位置，才能夠提高測(cè)繪的精度。

3.4 大比例尺地形圖成品精度的評(píng)估

當(dāng)完成地形圖的測(cè)繪以后，尤其是大比例尺的地形圖，需要評(píng)估其幾何精度。在進(jìn)行像控點(diǎn)的采集時(shí)，需要嚴(yán)格按照像控點(diǎn)測(cè)量要求進(jìn)行，而且像控點(diǎn)布置的位置要均勻，這樣才能夠?yàn)楹罄m(xù)的精度檢測(cè)打好基礎(chǔ)，對(duì)于新疆塔城建鄴區(qū)總共采集了310個(gè)平高檢查點(diǎn)。再進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)后得到所測(cè)繪的塔城地形圖的誤差大約在9.32m，能夠達(dá)到本次項(xiàng)目精度的要求。

4 未來遙感航測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

遙感航測(cè)技術(shù)尤其在對(duì)公路地形圖進(jìn)行測(cè)繪時(shí)起著不可替代的作用，但是在實(shí)際應(yīng)用遙感航測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，仍存在部分問題需要改進(jìn)，這就是未來遙感航測(cè)技術(shù)需要改進(jìn)和完善的地方。這主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)，首先，對(duì)公路地形圖進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，大多會(huì)開展多次的數(shù)據(jù)采集工作來提高測(cè)繪的精確性，但是采集的數(shù)據(jù)都需要通過篩選后才能夠使用，而且伴隨著采集次數(shù)的增加，會(huì)導(dǎo)致工作人員的工作量提升。其次，在惡劣天氣下使用遙感航測(cè)技術(shù)，會(huì)影響編制儀器的工作，尤其是暴雨和大霧天氣，測(cè)量的偏差幅度會(huì)增加，嚴(yán)重影響測(cè)繪結(jié)果的精確性。最后，儀器可以受到使用壽命以及技術(shù)的限制，使用的儀器在進(jìn)行測(cè)繪時(shí)都需要要求靈敏度，能夠順利完成信號(hào)的發(fā)送以及接收工作，如果儀器存在問題，不能順利地進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送以及接收，就會(huì)嚴(yán)重制約測(cè)繪發(fā)展的腳步。通過對(duì)以上問題的總結(jié)，在未來遙感航測(cè)技術(shù)發(fā)展時(shí)尤其需要對(duì)編制儀器進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，提高其抗干擾能力，提高數(shù)據(jù)測(cè)量的精確性，此外，所使用的接收器以及傳感器要高度匹配，才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的測(cè)繪。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之在科技高速發(fā)展的新時(shí)代，我國(guó)遙感航測(cè)技術(shù)已經(jīng)衍生航空攝影與測(cè)圖及智能一體化等多種技術(shù)方法，從而為公路地形圖測(cè)繪工作提供了巨大技術(shù)支撐，上文重點(diǎn)分析了闡述了無人機(jī)遙感系統(tǒng)的構(gòu)成與數(shù)據(jù)的有效處理，并梳理了遙感航測(cè)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用案例與未來發(fā)展趨勢(shì)，希望能在推動(dòng)公路地形圖測(cè)繪技術(shù)改進(jìn)的同時(shí)，促進(jìn)測(cè)繪行業(yè)持續(xù)發(fā)展。