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      航空攝影測(cè)量內(nèi)外業(yè)一體化方法與流程研究

      2015-06-29 12:10:58王立青施再亮
      科技資訊 2015年11期
      關(guān)鍵詞:像片空三外業(yè)

      王立青 施再亮

      摘 要:隨著低空無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和完善,大量試驗(yàn)己經(jīng)表明無人機(jī)測(cè)繪地形圖的精度可以滿足1:2000地形圖的要求,該文結(jié)合安徽某村的測(cè)量項(xiàng)目,詳細(xì)探討了無人機(jī)大比例尺地形圖的測(cè)量流程,包括航空攝影、像片控制、影像預(yù)處理、空中三角測(cè)量、DEM/DOM制作、地形圖制作及無人機(jī)航攝影像成圖精度分析等,相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

      關(guān)鍵詞:無人機(jī) 大比例尺 地形圖 測(cè)量技術(shù) DEM

      中圖分類號(hào):P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2015)04(b)-0025-02

      無人機(jī)航攝系統(tǒng)具有以下特點(diǎn),(1)受天氣條件和地面狀況影響較小,作業(yè)方式靈活快速;(2)無人機(jī)平臺(tái)自身構(gòu)建及其搭載的航攝設(shè)備維護(hù)成本低;(3)因無人機(jī)飛行高度低,所以能夠獲取高分辨率影像,在小范圍信息獲取方面有很大的優(yōu)勢(shì);(4)可根據(jù)具體要求設(shè)置影像重疊度,大重疊度的影像能夠增強(qiáng)后續(xù)處理的可靠性;(5)不需要申請(qǐng)空域、攜帶方便、轉(zhuǎn)場(chǎng)快等優(yōu)點(diǎn)。目前,小型無人機(jī)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為世界各國爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題,并在實(shí)際應(yīng)用過程中不斷提升無人機(jī)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的性能。

      下面以安徽某村為例,具體說明無人機(jī)航測(cè)繪制1:2000地形圖的過程。項(xiàng)目采用“1980西安坐標(biāo)系”和“1985國家高程基準(zhǔn)”。測(cè)區(qū)作業(yè)工序?yàn)闊o人機(jī)航攝、地形測(cè)量(包括四等控制測(cè)量、I級(jí)控制測(cè)量、像控測(cè)量、圖根測(cè)量、野外補(bǔ)測(cè)、外業(yè)調(diào)繪)、空三加密、地形圖制作(包括立體采集、數(shù)據(jù)編輯工序(1: 2000比例尺一套))、DOM制作、DEM制作、質(zhì)檢驗(yàn)收等工序。

      1 航空攝影

      該村采取東西向飛行,平均航攝比例尺為1:23533,平均地面高度為1350m,其相對(duì)航高為650m。平均地面分辨率0.13m,滿足1:2000成圖要求。該次外業(yè)攝影時(shí)間為2012年6月5日。

      2 像片控制

      2.1 影像資料分析

      航線間隔及旁向重疊度在30%-40%之間,航向重疊度在65%~75%之間。全攝區(qū)無航攝漏洞,航向超出攝區(qū)范圍3~6條基線。像片傾斜角<4°,旋偏角<8°,航線彎曲度<3%。無人機(jī)航攝系統(tǒng)的飛行質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同航線高差<30m,實(shí)際與設(shè)計(jì)航向<30m。實(shí)際航線偏離設(shè)計(jì)航線≤像片上10cm。像片位移誤差<30m。航攝影像清晰、無云影等遮擋,色彩均勻,滿足設(shè)計(jì)要求。

      2.2 像控點(diǎn)布設(shè)及刺點(diǎn)

      2.2.1 像控點(diǎn)布設(shè)

      (1)像控點(diǎn)布設(shè):像控點(diǎn)在航線方向上按10~15條基線布設(shè),在旁向上按2~4條基線布設(shè)。布設(shè)的像控點(diǎn)能夠有效控制住成圖范圍,保證測(cè)段銜接區(qū)域內(nèi)沒有漏洞。像控點(diǎn)應(yīng)刺在航向及旁向重疊有5~6張像片的區(qū)域內(nèi)。(2)像控點(diǎn)編號(hào)原則:測(cè)段像控點(diǎn)編號(hào)原則“GP+航片號(hào)四位+點(diǎn)序號(hào)”。(3)控點(diǎn)布設(shè)完成后繪制布點(diǎn)示意圖供內(nèi)業(yè)加密和存檔。滿足空三加密及數(shù)字化采集要求。

      2.2.2 像控點(diǎn)的刺點(diǎn)及整飾情況

      刺點(diǎn)誤差和刺孔的直經(jīng)均小于像片上0.1mm,且刺透,無雙孔。點(diǎn)位說明確切,略圖完整明了,刺孔、略圖、說明與實(shí)地柱位一致。A、在像片正面上用紅色直經(jīng)為7mm的圓形整飾像控點(diǎn),并注記點(diǎn)號(hào)。B、在像片的背面用鉛筆繪制點(diǎn)位略圖和標(biāo)注文字說明等。

      2.3 像控點(diǎn)測(cè)量

      像控點(diǎn)坐標(biāo)可以使用全站儀、RTK等常規(guī)儀器進(jìn)行測(cè)繪。像控點(diǎn)的精度和施測(cè)要求參照常規(guī)航測(cè)外業(yè)規(guī)范執(zhí)行。木次像控點(diǎn)測(cè)量采用雙頻GPS接收機(jī),已知控制點(diǎn)為加密的一級(jí)GPS控制點(diǎn)。為保證像控點(diǎn)測(cè)量成果的可靠性,在全部像控點(diǎn)測(cè)量完畢后再收參考站。施測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行拍照并制作成點(diǎn)位信息表供內(nèi)業(yè)加密使用。將檢地查合格后的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,基線處理采用Compass靜態(tài)處理專業(yè)版軟件,得到該村片區(qū)像控成果。

      2.4 該像控網(wǎng)精度

      該村片區(qū)像控網(wǎng)①精度統(tǒng)計(jì):

      (1)線向量檢核,同步環(huán)、異步環(huán)驗(yàn)算:共驗(yàn)算同步環(huán)15個(gè),其中環(huán)線全長相對(duì)閉合差最大為:6.52ppm,限差為:15.0ppm。共驗(yàn)算異步環(huán)9個(gè),其中坐標(biāo)分量閉合差最大為:Wx=4.46cm,Wy==6.46cm,Wz=6.36cm,限差為:=±21.06cm。

      (2)三維無約束平差:三維無約束平差最弱邊相對(duì)精度為:1/15267,邊名:2174-2173(邊長267m)。

      (3)二維約束平差:約束平差最弱邊相對(duì)精度為:1/17725,邊名:2174-2173 (邊長267m)。最弱點(diǎn)為2259,點(diǎn)位中誤差±2.03cm,限差為:±20.0cm。

      該村片區(qū)像控網(wǎng)②精度統(tǒng)計(jì):

      (1)基線向量檢核,同步環(huán)、異步環(huán)驗(yàn)算:共驗(yàn)算同步環(huán)14個(gè),其中環(huán)線全長相對(duì)閉合差最大為:4.48ppm,限差為:15.0ppm.共驗(yàn)算異步環(huán)14個(gè),坐標(biāo)分量閉合差最大為:Wx=-2.32cm,Wy=18.16cm,Wz=-12.55cm,限差為:=±21.06cm。

      (2)三維無約束平差:三維無約束平差最弱邊相對(duì)精度為:1/14131,邊名:2127-G04(邊長545m)。

      (3)二維約束平差:約束平差最弱邊相對(duì)精度為:1/34023,邊名:2174-G04 (邊長545m)。最弱點(diǎn)為1187,點(diǎn)位中誤差±4.19cm,限差為:±20.0cm。

      從上述精度統(tǒng)計(jì)情況可以看出,該村片區(qū)像控網(wǎng)精度指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

      3 影像預(yù)處理

      無人機(jī)航攝系統(tǒng)搭載非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航拍,然而相機(jī)自身的性能對(duì)測(cè)量精度影響較大。未經(jīng)過處理的航攝影像畸變差較大,無法直接用于空三測(cè)量等后續(xù)處理工作。所以,在影像進(jìn)行空三加密前,需要先對(duì)其進(jìn)行畸變差改正。在沒有室內(nèi)和室外高精度檢校場(chǎng)的情況下,通常是根據(jù)非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)提供的鑒定報(bào)告,利用DPGrid系統(tǒng)內(nèi)的小像幅影像畸變差校正模塊對(duì)影像進(jìn)行畸變差改正。

      4 空中三角測(cè)量

      4.1 空三加密經(jīng)過像點(diǎn)連接、像控點(diǎn)量測(cè)、平差計(jì)算過程

      (1)量測(cè)外控點(diǎn)時(shí),先量測(cè)測(cè)區(qū)四周的像控點(diǎn)6個(gè)以后進(jìn)行平差,其它像控點(diǎn)就可以通過預(yù)測(cè)的功能來找到大概位置達(dá)到快速量測(cè)旳目的。外控點(diǎn)的量測(cè)由專業(yè)人員進(jìn)行,并由另外一位專業(yè)人員檢查。(2)應(yīng)用外業(yè)工序提供基礎(chǔ)控制點(diǎn)參與計(jì)算,提升空三加密的整體精度;應(yīng)用外業(yè)工序提供的實(shí)測(cè)高程點(diǎn)檢測(cè)空三加密精度。(3)量測(cè)完后進(jìn)行最終的平差解算,首先將物方標(biāo)準(zhǔn)方差權(quán)放大,進(jìn)行粗差的消除,然后逐步提高物方權(quán)重,確保粗差被全部探測(cè)出,最后給合適的權(quán)值強(qiáng)制平差。DPGrid系統(tǒng)中的空三模塊為全自動(dòng)空三軟件。系統(tǒng)根據(jù)建好的航線列表進(jìn)行全測(cè)區(qū)自動(dòng)匹配,接下來通過自動(dòng)挑點(diǎn)程序?qū)⒋植畲?、多余的像點(diǎn)剔除。然后,進(jìn)行連接點(diǎn)的交互編輯,根據(jù)刺好的控制點(diǎn)進(jìn)行光束法平差解算,直到加密完成,輸出空中結(jié)果。

      4.2 區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量

      根據(jù)連接點(diǎn)(加密點(diǎn))的影像坐標(biāo)以和少量地面控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)及其物方空間坐標(biāo),通過平差計(jì)算,求解影像的外方位元素和連接點(diǎn)的物方空間坐標(biāo),稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量??杖郎y(cè)量提供的平差結(jié)果是影像后續(xù)處理與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

      5 DEM、DOM 制作

      5.1 DEM制作

      首先,根據(jù)空三加密成果,對(duì)無人機(jī)航攝的原始影像進(jìn)行重釆樣生成核線影像。其次,系統(tǒng)自動(dòng)匹配三維離散點(diǎn),得到攝區(qū)的DSM。最后,經(jīng)過自動(dòng)濾波便可得到DEM。雖然DPGrid系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)匹配,但是由于現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性(如水體、樹木、陰影)以及人工地物的影響,所以實(shí)際生產(chǎn)中為了提高DEM的精度,需要對(duì)DEM進(jìn)行人工編輯。因?yàn)镈EM是原始航片進(jìn)行糾正的基礎(chǔ),只有準(zhǔn)確的DEM才能保證DOM的精度。

      5.2 DOM制作

      DPGrid系統(tǒng)全自動(dòng)生成DOM主要包括:DEM數(shù)據(jù)處理、影像勻光勻色處理、DOM糾正處理、色調(diào)均衡處理以及DOM鑲嵌處理。系統(tǒng)生成的初步DOM結(jié)果,還要經(jīng)過人工編輯,對(duì)初始DOM成果進(jìn)行顏色和幾何處理,才能真正滿足對(duì)DOM成果的要求。

      6 1:2000地形圖制作

      配合DEM將DOM進(jìn)行校正,然后在拼接生成完整的區(qū)域地圖。最后,將區(qū)域整體導(dǎo)入到VirtuoZo NT軟件中進(jìn)行測(cè)圖,生成最終的地形圖(圖1)。

      根據(jù)航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)規(guī)范及地形圖圖式進(jìn)行物、地貌要素的采集。外業(yè)調(diào)繪人員利用已有的圖紙和測(cè)圖數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪、修測(cè)、補(bǔ)測(cè)等工作。

      7 無人機(jī)航攝影像成圖精度分析

      采用GPS快速靜態(tài)方式獲取該攝區(qū)外業(yè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。該樹片區(qū)抽查了4幅圖(占本片區(qū)圖幅數(shù)的10%),共83個(gè)檢査點(diǎn)。對(duì)比這些外業(yè)檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)與圖上坐標(biāo),計(jì)算出兩組坐標(biāo)的及高程差值。根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出每個(gè)檢查點(diǎn)的平面中誤差。具體計(jì)算結(jié)果如下。經(jīng)過整理計(jì)算,該村片區(qū)地物點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差為0.72m;高程中誤差為0.69m。根據(jù)點(diǎn)位中誤差計(jì)算結(jié)果繪制點(diǎn)位誤差分布圖。點(diǎn)位誤差分布圖更直觀的反映了每個(gè)檢查點(diǎn)的誤差分布情況??梢钥闯鼋^大多數(shù)點(diǎn)位誤差分布在0~0.8m之間,其平面精度滿足1:2000地形圖的要求。此外,我們將影像數(shù)據(jù)制作的地形圖與已有的1:2000地形圖數(shù)據(jù)在CASS中進(jìn)行套合比較。

      8 結(jié)語

      該文分析了無人機(jī)航攝系統(tǒng)的特點(diǎn),介紹了無人機(jī)低空航攝規(guī)范。詳細(xì)描述了無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)測(cè)繪1:2000地形圖的具體工作流程,并對(duì)最終生成的地形圖進(jìn)行了精度評(píng)定,基本滿足1:2000地形圖的精度要求。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 竹林村.幾種低空遙感系統(tǒng)對(duì)比分析[J].城市勘測(cè),2009(3):65-67.

      [2] 姬淵,秦志遠(yuǎn),等.小型無人機(jī)遙感平臺(tái)在攝影測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪技術(shù)裝備,2008,10(4):46-48.

      [3] 劉小民.基于全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖的制作[J].測(cè)繪科學(xué),2010,35(4):198-199.

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