大比例尺地形圖低空航測(cè)關(guān)鍵技術(shù)探究

韋生波

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710043）

1 引言

我國(guó)通過借助低空測(cè)量技術(shù)對(duì)大比例地形圖進(jìn)行繪制已經(jīng)開展了十幾年，但是航攝地形圖的精度仍然有待提高，并且在對(duì)平原以及丘陵地、高山等特征點(diǎn)較為稀少的區(qū)域進(jìn)行大比例尺測(cè)量時(shí)，航測(cè)技術(shù)還存在很多問題。因此，進(jìn)行大比例尺地形圖低空航測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的分析與研究勢(shì)在必行。

2 大比例尺地形圖航測(cè)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 寬角相機(jī)的采用

攝影測(cè)量通常指的是運(yùn)用攝影機(jī)對(duì)目標(biāo)物的形狀、空間位置以及大小進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。根據(jù)相關(guān)測(cè)量原理可知，在對(duì)大比例尺地形圖進(jìn)行航測(cè)的過程中，航空相機(jī)的像場(chǎng)角會(huì)對(duì)最終的地圖精度有較大的影響，因此，在測(cè)量過程中，需要根據(jù)具體情況合理選擇攝像機(jī)：（1）進(jìn)行高緯度航測(cè)時(shí)，應(yīng)使用像場(chǎng)角較小的相機(jī)。另外，為了確保航測(cè)的準(zhǔn)確性，應(yīng)在測(cè)量過程中使用高精度穩(wěn)定攝影平臺(tái)，并且安裝相應(yīng)的姿態(tài)定位系統(tǒng)。（2）在低空進(jìn)行航測(cè)時(shí)，可以使用寬角相機(jī)。（3）在測(cè)量過程中，使用質(zhì)量較輕且無人駕駛的小型飛機(jī)時(shí)，應(yīng)盡可能使用體積小且質(zhì)量輕的寬角相機(jī)[1]。

2.2 低空拍攝關(guān)鍵技術(shù)

低空航攝方法可以在一定程度上提高航測(cè)的精確度。低空航攝對(duì)拍攝技術(shù)要求較高，在實(shí)際拍攝過程中，相機(jī)的曝光參數(shù)要能滿足拍攝要求，還要保障拍攝質(zhì)量和設(shè)備的安全性，并在特定范圍內(nèi)完成相應(yīng)的測(cè)量任務(wù)。另外，還需要確保無人機(jī)的飛行高度保持在安全范圍，盡量維持在不等寬高的航線內(nèi)。在低空航測(cè)過程中，不僅需要注意配置的相應(yīng)程度，還要對(duì)影像的匹配度進(jìn)行強(qiáng)化，從而提高控制點(diǎn)的測(cè)量精度，進(jìn)而確保空中三角測(cè)量精度的提高。

2.2.1 充分發(fā)揮POS 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

POS 系統(tǒng)即定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System,POS），集慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)于一體，可以記錄飛機(jī)飛行時(shí)的空間位置及姿態(tài)信息，并采用多信息融合技術(shù)分別對(duì)POS 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)與事后處理，獲得高精度定位定向信息。POS 系統(tǒng)包括慣導(dǎo)（INS）部分、差分GPS（DGPS）部分、POS 計(jì)算機(jī)處理器件以及事后處理軟件構(gòu)成。此系統(tǒng)在使用過程中，操作較為簡(jiǎn)單方便，且性價(jià)比較高。POS 系統(tǒng)可以根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS）和差分GPS 獲得飛機(jī)飛行的空間位置及姿態(tài)信息，應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理時(shí)，不僅可以進(jìn)行行頻的自動(dòng)排序，還可以為后續(xù)航空數(shù)據(jù)處理提供所需的外方位元素。

2.2.2 強(qiáng)化影像匹配技術(shù)

提高航空攝影測(cè)量影像匹配強(qiáng)度需要綜合采用合適的處理方法及措施，航空攝影測(cè)量影像匹配技術(shù)通?；谔卣髌ヅ涞姆椒?，首先從原始圖像中提取特征，然后建立2 幅圖像之間特征的匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系。常用的特征匹配基元包括點(diǎn)、線、區(qū)域等顯著特征。圖像特征相比像素點(diǎn)數(shù)量少很多，特征間的匹配度量隨位置變化尖銳，容易找出準(zhǔn)確的匹配位置，特征提取能大大減少噪聲影響，對(duì)灰度變化、形變和遮擋有較強(qiáng)的適應(yīng)性。基于圖像特征的匹配方法主要包括圖像點(diǎn)匹配技術(shù)、邊緣線匹配技術(shù)、閉合輪廓匹配技術(shù)、使用高級(jí)特征的匹配技術(shù)。圖像匹配算法的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：匹配概率、匹配精度、匹配速度，攝影測(cè)量過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的處理技術(shù)進(jìn)行圖像匹配，要求匹配概率盡可能高、匹配誤差小、算法計(jì)算快、能滿足應(yīng)用環(huán)境對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

2.3 提高測(cè)量精度

2.3.1 選擇像控點(diǎn)

航攝像片由于像點(diǎn)坐標(biāo)誤差的影響，使像片邊緣產(chǎn)生的像點(diǎn)位移和影像變形較中心部分大。為了提高外業(yè)判讀刺點(diǎn)和內(nèi)業(yè)點(diǎn)位量測(cè)精度，像片所選像控點(diǎn)的位置距像片邊緣要大于1cm 或1.5cm。選擇像控點(diǎn)除了要考慮各種成圖方法對(duì)像控點(diǎn)的布點(diǎn)要求，還要保證像控點(diǎn)必須是影像位置可以明確辨認(rèn)的目標(biāo)點(diǎn)，并且要能滿足地形測(cè)量通視良好，交會(huì)圖形理想等要求。無論是平面點(diǎn)、高程點(diǎn)或平高點(diǎn)，均要選擇在明顯目標(biāo)點(diǎn)上，一般地區(qū)較理想的明顯目標(biāo)是近于直角而且又近于水平的線狀地物的交點(diǎn)和地物拐角上。

2.3.2 控制圖像的傾斜角度

在航空攝影野外數(shù)據(jù)采集過程中，相機(jī)與待測(cè)物存在一定的角度關(guān)系，不可能完全保持180°平行關(guān)系，通常情況下，傾斜角應(yīng)小于3°。通過照片邊沿在水準(zhǔn)器影像里氣泡中出現(xiàn)的位置判斷傾斜角的大小。對(duì)于不存在水準(zhǔn)器記錄的照片，如果發(fā)現(xiàn)不合理地方，可以與舊圖進(jìn)行對(duì)比，選擇一些有標(biāo)志的地點(diǎn)，采用攝影測(cè)量辦法進(jìn)行個(gè)別抽查，以提高采樣精度，將數(shù)據(jù)誤差盡可能降低。

2.3.3 設(shè)定安全合理的飛行高度

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)根據(jù)大比例尺低空航攝及安全飛行要求計(jì)算無人機(jī)飛行高度，具體需要根據(jù)測(cè)區(qū)環(huán)境（山區(qū)、城市）計(jì)算確定。

2.3.4 嚴(yán)格控制照片的重疊度

為了獲取準(zhǔn)確的待測(cè)地物的地理位置信息，航片必須對(duì)測(cè)量區(qū)域所有位置進(jìn)行完整覆蓋。不同區(qū)域照片需要有很好的重疊性，以防止個(gè)別地理位置圖像信息遺漏。理論上常用相鄰航線重疊區(qū)域與相片邊長(zhǎng)進(jìn)行比較，航向重疊度一般為53%～75%，旁向重疊度為15%～50%，通常取30%。如果航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)顯示重疊度超標(biāo)，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)救工作，若出現(xiàn)區(qū)域遺漏時(shí)，需要重新補(bǔ)拍，以便獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

3 工程實(shí)踐

某項(xiàng)目的航空攝影測(cè)量過程中，選用了固定翼三軸矢量無人機(jī)搭載寬角相機(jī)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，空中三角測(cè)量處理采用Inpho 軟件，使用區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行解算。在Inpho 軟件中設(shè)置相機(jī)參數(shù)、框幅影像、POS 數(shù)據(jù)以及航帶等參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行自由網(wǎng)平差，導(dǎo)入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密平差計(jì)算，形成空三加密數(shù)據(jù)。像控點(diǎn)內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)時(shí)，像控點(diǎn)盡可能多的量測(cè)在影像上，加密選取的航向連接點(diǎn)、旁向公共點(diǎn)與測(cè)圖定向應(yīng)為同一點(diǎn)位，保持測(cè)圖定向點(diǎn)至少5°重疊以上。對(duì)于像控標(biāo)記在影像上變形較大的像片不進(jìn)行刺點(diǎn)，以避免由于變形誤差降低區(qū)域網(wǎng)平差的精度。地形圖數(shù)據(jù)采集采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站MapMatrix 軟件，由空三加密數(shù)據(jù)建立立體模型，并進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集。地形圖數(shù)據(jù)編輯和外業(yè)調(diào)繪數(shù)據(jù)修改采用南方CASS 軟件完成。

背向主點(diǎn)的地物在本條航線上無法采集到時(shí)，在相鄰航線上進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，避免地物的丟漏。檢查遵循先查定向再進(jìn)行采集的原則，在數(shù)學(xué)精度、地形地貌表示、地物丟漏、高程點(diǎn)測(cè)繪等方面是否符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在利用低空航測(cè)的方式測(cè)量大比例尺地形圖時(shí)，需要注意根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況的不同，選擇不同的測(cè)量設(shè)備以及測(cè)量技術(shù)。使用低空航攝的技術(shù)時(shí)，需要選取寬角相機(jī)，提前制定好相關(guān)的措施，從而提高空中三角測(cè)量技術(shù)的精準(zhǔn)度。另外，還需要對(duì)航測(cè)產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行精細(xì)化處理，以保障最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，促進(jìn)我國(guó)低空航測(cè)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展。