基于無人機垂直免像控的1:500 比例尺地形圖測繪研究

星鋒鋒

（濟寧市勘測院，山東 濟寧 272000）

利用無人機攝影測量技術生產大比例尺地形圖是目前地形圖生產的主流方式之一。傳統(tǒng)的垂直攝影測量技術，在獲取影像后，需要采集大量的像控點進行空中三角測量的平差解算。這為數(shù)據生產帶來了一定的成本，同時也影響地形圖數(shù)據生產的整個進度。隨著無人機差分技術的發(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進行免像控數(shù)據產品精度的檢測，實驗表明精度可以達到厘米級；尚海興[2]等人利用免像控技術，生產大面積風電場的2000 比例尺地形圖，結果在精度符合規(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)據生產，精度檢測進行了一系列研究，證明了免像控技術生產的數(shù)據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生產帶狀1:500 比例尺地形圖數(shù)據的案例，目前還很少有，需要探索一套適合的作業(yè)流程，并進行有效的推廣應用。本文基于此，采用拓普康天狼星無人機，搭載垂直鏡頭相機，結合已有的DEM 數(shù)據，對測區(qū)進行仿地飛行，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技術，得到高分辨率數(shù)字正射影像圖。利用EPS 立體采集模塊，對空三加密成果進行立體恢復，在立體環(huán)境下進行地形圖數(shù)據的采集，為了提高采集效率，在正射影像圖上進行平面地物的采集，如道路等。對于內業(yè)無法生產的區(qū)域，外業(yè)進行調繪與補測，內業(yè)進行數(shù)據完善與坐標轉換，得到最終的地形圖數(shù)據成果，并采用大量的檢查點對地形圖精度進行檢測，結果表明：本文的方法，生產的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

免像控技術，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。差分技術是指：將一臺GPS 接收機安置在基準站上進行觀測，根據基準站的精確坐標，計算出基準站到多顆衛(wèi)星之間的距離改正數(shù)，并由基準站實時的將距離改正數(shù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS 數(shù)據觀測的同時，也接收到由基準站發(fā)出的距離改正數(shù)，并不斷地對其定位結果進行改正，從而提高了定位精度。這里的用戶接收機，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。圖1 為差分技術示意圖，圖中的流動站即指無人機搭載的位置記錄裝備。

圖1 差分技術示意圖

基準站獲取其到衛(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)，對其坐標進行調整，從而得到精確的定位坐標。

就目前差分技術來說，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，這為免像控技術用于測繪產品生產提供了保障。后差分相對實時差分來說，并沒有實時的對流動站坐標進行改正，而是在定位觀測后，對兩臺GPS 接收機所采集到的定位數(shù)據進行測后的聯(lián)合解算處理，從而得到接收機所在運動的載體在對應時間上的精確坐標位置。

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

2 基于免像控技術生產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)，未使用像控點進行平差調整，而是基于高精度的GPS 數(shù)據進行平差調整。在生產大比例尺的過程中，主要包括航飛前測區(qū)勘察和已有資料收集，空域申請，飛機和相機選擇，航線規(guī)劃和數(shù)據采集，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，數(shù)字地形圖生產，調繪與補測，精度檢測，整理與提交，檢查與驗收等，具體流程見圖2。

圖2 基于免像控技術生產大比例尺地形圖流程圖

3 項目驗證

3.1 檢查點測量

結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)方式進行檢查點坐標的布設。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 無人機和相機選擇

結合測區(qū)情況和已有硬件設備，選用自有的拓普康天狼星無人機搭載索尼RX1R2 相機用于影像數(shù)據采集。相機像幅為7952*5304，理論焦距35mm，傳感器尺寸為4.52um。將任務區(qū)范圍線導入地面站軟件中，并導入12.5 米的DEM數(shù)據，按照正射航空攝影要求，設置地面采樣分辨率為0.045 米，航向重疊度設置為75%，旁向重疊度設置為65%。根據航高、焦距、像元大小和地面分辨率之間的關系，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入的DEM來說的。理論上來說，仿地飛行是需要結合DSM數(shù)據的，但是通過對測區(qū)查看，沒有突變的地物或者建構筑物，因此這里的DEM數(shù)據是可用的，這樣飛行，在保證飛機安全作業(yè)的前提下，可以獲得分辨率一致的原始影像數(shù)據，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。

3.3 空中三角測量解算

利用天狼星標配的MAVinci Desktop 輸出預處理文件，通過PhotoScan 進行空中三角測量解算。數(shù)據預處理，包括刪除地面試拍影像，整理POS 數(shù)據，對原始影像進行畸變校正等。這里主要是對原始經緯度的POS 數(shù)據，在坐標轉換軟件中，進行坐標數(shù)據的轉換，轉換到和檢查點同一套坐標系下，即西安80 坐標系，中央子午線117 度，按照高斯克呂格3 度分帶進行投影計算。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。將檢測點導入到空三中，并進行轉刺，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

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，是對地表地物進行坐標匹配，得到的數(shù)據成果是數(shù)字表面模型（DSM），而要使正射影像位置校正到準確位置，就必須將DSM 進行校正，對非地面點進行編輯和濾波，得到精準的DEM 數(shù)據，這樣才可以獲得更加精準的數(shù)字正射影像成果。在生產DOM前，利用數(shù)字綠土的Lidar360 和煤航的Lidar-DP 點云數(shù)據處理軟件，對PhotoScan 得到的DSM數(shù)據進行多種方式的濾波操作，得到高精度的DEM數(shù)據，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，得到最終高質量的數(shù)字正射影像圖成果。

3.5 大比例尺地形圖生產

目前利用航測技術生產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，導致測圖成果會超限，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)據導入濾波軟件，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、建構筑物等，得到精度較高的DEM 數(shù)據成果，然后利用DEM 采集得到高程點，利用高程點內插得到等高線。該方法對DEM處理要求較高，要求作業(yè)人員有較高的DEM濾波經驗，能夠通過調整不同參數(shù)，來獲得高質量的DEM成果。（3）將高程和平面疊加后進行采集，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]，但是該方式在生產疊加三維模型時，速度較慢。本次數(shù)據生產，利用EPS 軟件下的立體測圖模塊，將空三加密成果恢復后，在立體環(huán)境下進行地形圖采集，然后將采集成果導出到南方CASS 軟件中，進行部分地物信息圖層屬性的完善，得到最終的地形圖成果。在恢復空三時，需要用到相機的內外方位元素和未畸變照片，這樣恢復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)據可知，本次生產的地形圖，精度滿足1:500 地形圖精度需求。

5 結論

本文探討了無人機垂直攝影條件下免像控技術生產大比例尺地形圖的作業(yè)流程。通過對生產的地形圖，按照同精度的方法進行檢測，結果表明，本文的方法在免控條件下，生產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。