尚海興，黃文鈺

（1.中國水電顧問集團(tuán) 西北勘測設(shè)計(jì)研究院工程測繪公司，陜西 西安 710065）

1 低空航測系統(tǒng)

無人機(jī)低空航測系統(tǒng)一般包括空中航攝系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)低空航測系統(tǒng)

無人機(jī)航測系統(tǒng)工作流程為：根據(jù)任務(wù)要求用航線設(shè)計(jì)軟件對測區(qū)進(jìn)行航跡規(guī)劃，在地面控制子系統(tǒng)中將規(guī)劃好的航線載入到空中攝影子系統(tǒng)；無人機(jī)地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃的航線，借助自動駕駛儀控制無人機(jī)飛行和拍攝作業(yè)；空中攝影子系統(tǒng)將拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，無人機(jī)平臺利用無線傳輸通道與地面控制子系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，地面工作人員通過這些數(shù)據(jù)監(jiān)測無人機(jī)的飛行航線，并對飛行航跡做必要調(diào)整；飛行任務(wù)結(jié)束后，地面控制飛機(jī)降落，下載影像，并快速進(jìn)行影像質(zhì)量檢查，決定是否補(bǔ)飛；合格的影像轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，借助攝影測量工作站進(jìn)行測繪產(chǎn)品（DLG，DEM，DOM等）的生產(chǎn)。

2 低空航測工作技術(shù)流程

低空航測工作可歸為3個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、外業(yè)實(shí)施階段和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)低空航測工作技術(shù)流程圖

1）準(zhǔn)備階段，其主要工作有飛機(jī)選型、資料收集、現(xiàn)場踏勘和航線設(shè)計(jì)等。其中，現(xiàn)場踏勘就是組織有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和航攝人員進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，檢查攝區(qū)的四角坐標(biāo)是否在規(guī)定的范圍內(nèi)、攝區(qū)基準(zhǔn)面情況、攝區(qū)的航攝困難程度，確定起降點(diǎn)。

2）外業(yè)實(shí)施階段，其主要內(nèi)容是實(shí)施飛行、飛行質(zhì)量檢查、制定像控點(diǎn)布設(shè)方案，開展外業(yè)像控點(diǎn)測量工作和外業(yè)調(diào)繪。低空航飛由于天氣原因?qū)е戮植坑跋裥沁^大，所以在航飛結(jié)束后需進(jìn)行飛行質(zhì)量檢查，確保數(shù)據(jù)后處理質(zhì)量。目前利用GPS進(jìn)行像控點(diǎn)的測量方式有靜態(tài)測量、快速靜態(tài)測量和GPS-RTK測量。外業(yè)調(diào)繪成果是后續(xù)DLG生產(chǎn)的基礎(chǔ)。像控點(diǎn)的選刺應(yīng)遵循下列原則[2]：①點(diǎn)位的實(shí)地目標(biāo)與航攝相片的影像一致，點(diǎn)位刺點(diǎn)目標(biāo)要便于內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺。一般應(yīng)該選在道路的各種標(biāo)志、田、地角等明顯的地物上；②相片控制點(diǎn)應(yīng)選在旁向重疊中線附近，離開方位線的距離大于4.5 cm，當(dāng)旁向重疊過大時(shí)，離開方位線的距離不得小于3 cm，否則應(yīng)分別布點(diǎn)。當(dāng)旁向重疊過小時(shí)，也應(yīng)分別布點(diǎn)，控制范圍所裂開的垂直距離不得大于1 cm。

3）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，其主要內(nèi)容是影像畸變差改正、空三加密、影像同名點(diǎn)匹配、DEM編輯、DEM和DOM制作、DLG制作（外業(yè)調(diào)繪制作精編DLG）等。

無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖的影像內(nèi)業(yè)處理具體流程為：根據(jù)GPS數(shù)據(jù)自動建立航帶內(nèi)和航帶間的拓?fù)潢P(guān)系；根據(jù)建立的拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)和POS 數(shù)據(jù)全自動提取連接點(diǎn)，通過大量平差點(diǎn)完全剔除粗差點(diǎn)，利用像控點(diǎn)作空三計(jì)算獲取精確的外方位元素，通過控制點(diǎn)數(shù)據(jù)生成DEM，利用DEM數(shù)據(jù)生成DOM。

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況與影像獲取

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于城郊，植被覆蓋率高，房屋零散分布，北側(cè)有成片水域，地形相對平坦，最大相對高差約80 m，總面積約2.0 km2。采用微型固定翼無人機(jī)搭載Canon EOS 450D單反數(shù)碼相機(jī)，地面分辨率為0.14 m，考慮地形起伏因素，相對航高約600 m，滿足測繪1:2 000地形圖航攝要求。設(shè)一個(gè)航高區(qū)，設(shè)計(jì)4條航線，獲取有效航片65張。經(jīng)檢查，飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量滿足文獻(xiàn)[3]的要求。

獲取航拍影像后需要做2項(xiàng)幾何處理：影像畸變差改正和測區(qū)全景圖快速拼接。

1）數(shù)碼相機(jī)屬非量測相機(jī)，獲取的原始影像存在光學(xué)畸變差，需進(jìn)行影像畸變差改正。焦距固定時(shí)，鏡頭畸變差為系統(tǒng)誤差，對每張影像影響相同。改正后相機(jī)內(nèi)方位元素為:x0=-0.175 806 mm，y0=- 0.184 894 mm，f=24.293 mm。

2）全景圖快速拼接的方法有基于機(jī)載GPS數(shù)據(jù)物方拼接和基于影像特征的像方拼接。本文采用特征匹配的像方拼接[4-6]，其作用是檢查航攝漏洞和利用若干地面控制點(diǎn)糾正后的全景圖查看全區(qū)控制點(diǎn)分布，提高空三加密控制點(diǎn)查找速度。

2.2 像控點(diǎn)的布設(shè)與測量

考慮測區(qū)局部植被茂盛，地面覆蓋嚴(yán)重以及成片的水域等原因，在航飛前布設(shè)了地標(biāo)控制點(diǎn)，進(jìn)行坐標(biāo)定點(diǎn)曝光，有效解決關(guān)鍵區(qū)域選點(diǎn)難度大的問題。為增大反差，地標(biāo)控制點(diǎn)為直徑0.6 m的白色圓標(biāo)（見圖3），共布設(shè)地標(biāo)控制點(diǎn)7個(gè)，實(shí)地選刺控制點(diǎn)20個(gè)。

圖3 地標(biāo)控制點(diǎn)

考慮實(shí)驗(yàn)區(qū)面積較小，選擇已有D級GPS控制網(wǎng)作為試驗(yàn)區(qū)首級控制網(wǎng)，采用GPS-RTK測量模式進(jìn)行像控點(diǎn)的測量。實(shí)測中采用2次取平均值的方法，RTK點(diǎn)位中誤差相對于附近野外控制點(diǎn)，實(shí)際點(diǎn)位平面中誤差為0.032 m；高程中誤差為0.015 m，滿足外業(yè)精度要求。

2.3 空三加密

相對傳統(tǒng)航空影像，低空影像重疊度大，空中三角測量時(shí)，每個(gè)地面點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)觀測值較多，大量的多余觀測有利于觀測值的粗差探測和剔除[7]。光束法區(qū)域網(wǎng)平差以每張相片所組成的一條光束為平差的基本單元，以共線方程為平差基礎(chǔ)方程。由于數(shù)碼相機(jī)的檢校精度有限，平差時(shí)需要將相機(jī)畸變參數(shù)作為未知數(shù)進(jìn)行自檢校光束法平差。

式中, x,y是以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；f為相機(jī)主距；X、Y、Z為物點(diǎn)的地面坐標(biāo)；ZS、YS、ZS為外方位線元素；a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為外方位角元素表示的方向余弦。

低空影像在空三加密中，由于影像重疊度不均勻、旋偏角大、成片水域和植被覆蓋等原因，相對定向自動轉(zhuǎn)點(diǎn)結(jié)果不理想，造成大量連接點(diǎn)需要人工編輯。加密成果精度如表1所示，符合1∶2 000航測成圖要求。

表1 空三測量解算結(jié)果/m

2.4 數(shù)字產(chǎn)品的制作

2.4.1 DEM與DOM制作

自動空三完成后，即可通過自動匹配生產(chǎn)測區(qū)DEM。但因現(xiàn)實(shí)地物的復(fù)雜性，為了提高DEM的精度，需要對樹木、水域和人工地物進(jìn)行人工編輯。

根據(jù)編輯的高精度DEM，可以對影像進(jìn)行幾何糾正，通過鑲嵌線自動搜索和人工編輯，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳{(diào)均衡處理，自動鑲嵌處理成全區(qū)正射影像。

2.4.2 DLG制作

1）內(nèi)業(yè)采編。立體測圖采用了航天遠(yuǎn)景的FeatureOne特征采集平臺。為提高采集效率和精度，等高線采集和地物調(diào)繪分別進(jìn)行。FeatureOne提供了強(qiáng)大的圖形編輯功能，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字線劃圖的采編一體化。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪片仔細(xì)辨認(rèn)地物屬性，及時(shí)進(jìn)行標(biāo)記，以免遺漏。在森林覆蓋區(qū)域，先采集植被覆蓋縫隙裸露地面的高程點(diǎn)，再采集概略等高線，然后以采集的高程點(diǎn)作為地形控制點(diǎn)，修改概略等高線，最終將采集成果導(dǎo)入AutoCAD進(jìn)行編輯和圖層轉(zhuǎn)換。

2）調(diào)繪與修補(bǔ)測。調(diào)繪片采用放大片，隔號取片。為提高生產(chǎn)效率，先內(nèi)業(yè)判繪，再外業(yè)調(diào)繪。以編繪原圖為工作底圖，利用RTK、全站儀等工具進(jìn)行地名、地物屬性調(diào)注、房檐改正。重點(diǎn)補(bǔ)測內(nèi)容為：影像模糊地物、陰影遮擋地物、水淹云影地段、新增地物等。

2.5 測圖精度評定

對68個(gè)地物檢查點(diǎn)計(jì)算統(tǒng)計(jì)測區(qū)點(diǎn)位中誤差，平面中誤差為±0.30 m，高程中誤差為±0.36 m，測圖精度滿足1∶2 000地形測圖成圖要求[8]（見表2）。

利用原始影像畸變改正后的測區(qū)全景圖結(jié)果和根據(jù)空三加密結(jié)果生產(chǎn)的DLG、DEM、DOM成果，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明了低空航測系統(tǒng)在小范圍大比例測圖中的可行性。

表2 實(shí)驗(yàn)區(qū)測圖精度統(tǒng)計(jì)表

圖4 數(shù)字產(chǎn)品成果圖

3 結(jié) 語

低空航測作業(yè)流程的實(shí)驗(yàn)表明，合格的低空影像可以滿足大比例航測成圖的要求，取得合格測繪產(chǎn)品。低空航測技術(shù)機(jī)動快速，操作簡單，能獲取高分辨率航空影像，影像制作周期短、效率高、成本低，在應(yīng)急測繪、困難地區(qū)測繪、小城鎮(zhèn)測繪、重大工程測繪、小范圍高精度測繪等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。提高無人機(jī)測圖精度和開拓該技術(shù)的適用范圍是下步的研究重點(diǎn)。

[1]晏磊. 無人機(jī)遙感信息平臺建設(shè)與CMOS 成像初步研究[C].“數(shù)字近景攝影測量”學(xué)術(shù)研討會，武漢，2004

[2]CH/Z 3004-2010.低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S].

[3]CH/Z 3005-2010.低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[S].

[4]王玉宏, 陳永立. 低空遙感影像匹配與拼接技術(shù)研究[J]. 測繪信息與工程, 2009, 34(2) :47-49

[5]狄穎辰. 無人機(jī)圖像拼接算法綜述[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011,31(1):170-173

[6]魯恒. 一種基于特征點(diǎn)的無人機(jī)影像自動拼接方法[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2010,26(5):16-19

[7]張永軍. 無人駕駛飛艇低空遙感影像的幾何處理[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版, 2009, 34(3) :284-288

[8]CH/Z 3003-2010 .低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].