基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的大比例尺測(cè)圖技術(shù)研究

劉柱

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī) 攝影測(cè)量 精度 大比例尺測(cè)圖

中圖分類號(hào)： P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0040-04

隨著城市化的進(jìn)展，大規(guī)模地形圖越來(lái)越成為構(gòu)建智能城市基本地理信息的重要基礎(chǔ)。無(wú)論是城市規(guī)劃、自然資源動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還是應(yīng)對(duì)地震、山體滑坡等重大自然災(zāi)害，都需要準(zhǔn)確、及時(shí)的地理信息的支持。各級(jí)政府需要在土地測(cè)繪、基本制圖數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、新農(nóng)村發(fā)展、資源監(jiān)測(cè)、農(nóng)林分析等領(lǐng)域提供大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確的地理空間數(shù)據(jù)。緊急情況和救災(zāi)工作日益緊迫，有效獲取大規(guī)模地形數(shù)據(jù)、快速繪制地圖已成為地理制圖信息研究的重要領(lǐng)域[1]。大地測(cè)量和制圖工作效率的顯著提高、大地測(cè)量和制圖更新周期的縮短、空間地理信息的快速準(zhǔn)確捕捉成為大地測(cè)量和制圖工作面臨的新挑戰(zhàn)。

與以往的航空攝影系統(tǒng)相比，無(wú)人航空攝影測(cè)量系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，具體見(jiàn)圖1。正是這些優(yōu)點(diǎn)使無(wú)人航空攝影測(cè)量成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量方法的重要補(bǔ)充。該方法在制圖、地理信息等領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、土地與環(huán)境研究、海洋信息開(kāi)發(fā)與動(dòng)態(tài)管理、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、國(guó)家海洋權(quán)益保護(hù)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)與節(jié)能、水資源研究等領(lǐng)域。

1 無(wú)人機(jī)影像獲取流程和技術(shù)路線

本文采用南方測(cè)繪“天行”八旋翼無(wú)人機(jī)搭載Sony RX1RM2 數(shù)碼相機(jī)，在北京市某鎮(zhèn)進(jìn)行了生產(chǎn)作業(yè)，獲取無(wú)人機(jī)低空航攝遙感影像并完成1∶500 大比例尺地形圖的成圖[2]。此次作業(yè)選用的數(shù)據(jù)處理軟件是Smart 3D 三維實(shí)景建模軟件和清華山維EPS 裸眼3D 測(cè)圖軟件。無(wú)人機(jī)影像獲取流程如圖2 所示。

1.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于北京市某鎮(zhèn)。該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)半干燥季風(fēng)氣候，夏季氣溫高、雨量多，冬季寒冷干燥，且春秋短。全年無(wú)霜期達(dá)180～200 d。任務(wù)是對(duì)該地區(qū)約3 km2的旅游發(fā)展項(xiàng)目進(jìn)行初步研究。

在開(kāi)始之前，必須收集測(cè)量區(qū)域的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。該區(qū)域的現(xiàn)有數(shù)據(jù)包括相關(guān)部門的3 個(gè)控制點(diǎn)，可以作為圖像控制點(diǎn)配置的起點(diǎn)。此次作業(yè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)系采用1980 年西安坐標(biāo)系和1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。事先與甲方溝通，指明測(cè)量區(qū)域邊界，溝通測(cè)繪區(qū)域難點(diǎn)、最大高差等相關(guān)信息[3]。

1.2 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)允許無(wú)人機(jī)根據(jù)給定軌跡執(zhí)行飛行操作，從而確保所有飛行參數(shù)對(duì)應(yīng)于相關(guān)軌跡。路線規(guī)劃的有用性取決于最終的結(jié)果，設(shè)計(jì)必須符合相關(guān)的規(guī)范，并進(jìn)行測(cè)試以確保飛行過(guò)程的安全性和飛行數(shù)據(jù)的可靠性。航線計(jì)劃見(jiàn)圖3。

1.3 外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量

為確保測(cè)量操作的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場(chǎng)影像檢查點(diǎn)的布置嚴(yán)格遵循野外影像控制點(diǎn)設(shè)置的原則。共設(shè)置了76 個(gè)影像像控點(diǎn)。用于測(cè)量的坐標(biāo)系為1980 年西安坐標(biāo)系，1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)，114°中央子午線。結(jié)合GPS-RTK 和CORS 數(shù)據(jù)，以3 個(gè)已知控制點(diǎn)作為平滑采集的起點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果的平面和高程精準(zhǔn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

從兩個(gè)測(cè)繪區(qū)域獲取圖像后，使用Smart 3D 軟件進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理。該軟件是一個(gè)自動(dòng)航空?qǐng)D像處理軟件，結(jié)合了數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空間加密和三維建模。該程序高度自動(dòng)化，可為EPS 裸眼3D 軟件生成OSGB 格式的數(shù)據(jù)[5]。該程序生成高精度、結(jié)果良好的三維模型，進(jìn)行滿足模型要求的大規(guī)模繪制。Smart 3D 軟件中的數(shù)據(jù)處理步驟見(jiàn)圖4。

2.1 航測(cè)原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

首先將本次航測(cè)獲取到的記錄飛行姿態(tài)的POS 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面導(dǎo)入到Smart 3D 中，完成航測(cè)數(shù)據(jù)的錄入工作。

2.2 空中三角測(cè)量

設(shè)置好像片的相關(guān)屬性后，選擇提交空中三角測(cè)量，可以設(shè)置空三的名稱，定位、參考方式以及其他設(shè)置等。如果對(duì)一次空三加密的計(jì)算結(jié)果不滿意，Smart3D 可以進(jìn)行多次提交空三加密，直到符合精度要求[6]。此次試驗(yàn)共進(jìn)行了2 次空三加密。

2.3 構(gòu)建三維模型

空三加密完成后，開(kāi)始創(chuàng)建三維模型。Smart 3D模型的構(gòu)建非常自動(dòng)化，要求創(chuàng)建OSGB 格式的瓦片模型。為了加快模型生成的速度和精度，需要在整個(gè)研究領(lǐng)域中創(chuàng)建空間框架，并選擇生成的模型范圍。根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能和測(cè)區(qū)的實(shí)際狀態(tài)，整個(gè)區(qū)域被分割成49 個(gè)瓦片。

該項(xiàng)目隨后提交生產(chǎn)，Smart 3D 可以創(chuàng)建三維網(wǎng)格、三維點(diǎn)云、正射影像和DSM。可以根據(jù)不同生產(chǎn)項(xiàng)目的需要生成不同類型的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過(guò)上述步驟，就完成了內(nèi)業(yè)處理的整個(gè)步驟，再經(jīng)過(guò)對(duì)后續(xù)成果整理和修飾，就可得到測(cè)區(qū)的數(shù)字三維模型，見(jiàn)圖5。

3 精度分析

精度分析主要采用GNSS-RTK 系統(tǒng)對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)可視位置的平面坐標(biāo)和高度進(jìn)行測(cè)量，然后選擇DLG上的坐標(biāo)和高度。使用均方誤差公式計(jì)算平面精度和高程精度。檢查點(diǎn)主要選擇影像容易識(shí)別的可視點(diǎn)，如斑馬線、路標(biāo)垂直轉(zhuǎn)彎、平房拐點(diǎn)、水泥路交叉口等。

3.1 平面精度分析

利用GNSS-RTK系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)20個(gè)明顯的地物點(diǎn)實(shí)測(cè)其平面坐標(biāo)和高程，然后在數(shù)字線劃圖上選取該點(diǎn)的圖上坐標(biāo)和高程，最后利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算其平面精度和高程精度，得到測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)的平面精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：X 方向中誤差為0.066 m，最大誤差為-0.109 m；Y 方向中誤差為0.089 m，最大誤差為0.155 m；平面坐標(biāo)中誤差為0.111 m，最大誤差為0.199 m，均滿足規(guī)范要求。具體如表1所示。

3.2 高程精度分析

同樣可以算出測(cè)區(qū)的高程誤差和精度，如表2 所示。從表2 可得：測(cè)區(qū)的高程中誤差為0.275 m；最大誤差為0.439 m；該測(cè)區(qū)地形起伏不大，大多屬于平地和丘陵地，滿足1∶500 地形圖對(duì)高程精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)闡述了無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在大比例成圖中的完整流程，通過(guò)實(shí)例精度分析，可以得到結(jié)論：在控制好成圖過(guò)程誤差傳播，嚴(yán)格按照規(guī)范要求獲取影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理過(guò)程嚴(yán)格把關(guān)，無(wú)人機(jī)航測(cè)大比例尺地形圖可達(dá)到1∶500 比例尺的成圖精度，尤其是在平原地區(qū)平面精度和高程精度都很高，可以在該地區(qū)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。