吳國青

（蘇州武大影像信息工程研究院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215163）

0 引言

這些年隨著國家大力推廣應(yīng)用國產(chǎn)低空無人飛行器航測遙感系統(tǒng)在國家應(yīng)急救災(zāi)、國土資源監(jiān)察、數(shù)字城市建設(shè)和新農(nóng)村測繪保障等領(lǐng)域均取得了不少成績。相對于傳統(tǒng)航測航空審批周期長、專業(yè)攝影設(shè)備、成本大等情況，低空無人飛行器具有機(jī)動靈活，操作簡單，可以便捷高效進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，而且獲取的影像具有高分辨率、高清晰度，逐漸成為常規(guī)航空攝影的一種有效補(bǔ)充手段。

本文通過闡述在江蘇某地成功運(yùn)用低空無人飛機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取，采用武漢大學(xué)張祖勛院士領(lǐng)銜研制的新一代數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)（DPGrid）[1]進(jìn)行低空數(shù)據(jù)處理來生產(chǎn) 1：1000 DLG、DOM，對工程實施中關(guān)鍵點工藝流程進(jìn)行闡述，并對成果精度進(jìn)行了評定，總結(jié)驗證無人機(jī)航測可應(yīng)用于大比例尺航測成圖。

1 工作流程及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 測區(qū)概況及任務(wù)

本項目測區(qū)位于江蘇蘇北某市郊區(qū)，測區(qū)內(nèi)地勢低平，居民地大都沿河呈一字型分布較有規(guī)律，多為農(nóng)田，測區(qū)面積為30 km2，測區(qū)范圍如圖1。

圖1 測區(qū)范圍

圖2 作業(yè)流程

1.2 工作流程

采用低空無人飛機(jī)航測的作業(yè)流程包括低空航測、像控測量、自動空三、立體測圖、外業(yè)調(diào)繪及編圖、DOM制作等。其中關(guān)鍵的質(zhì)量點包括低空航測規(guī)劃、相機(jī)檢校及畸變改正、像片控制點的布設(shè)及測量、自動空三、無縫測圖、DOM勻色鑲嵌。相對傳統(tǒng)作業(yè)流程，低空航測作業(yè)流程如圖2所示。

1.3 低空航測規(guī)劃

低空航測一般選用性能可靠、可有一定載荷、有穩(wěn)定云臺、續(xù)航能力強(qiáng)、安全系數(shù)高的無人飛行器，本次選用機(jī)長約2米的滑跑式無人飛機(jī)，最大載重為2kg，航攝相機(jī)采用佳能 5D Mark II非量測相機(jī)，焦距為 35mm，像幅為 3744×5616，像素大小為 6.4μm。 航攝采取短邊飛行方向，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況及當(dāng)日風(fēng)速風(fēng)向情況進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)計按航向重疊度為70%、航間重疊度為40%，地面分辨率為7cm，航高為400米，航速控制在100公里/時左右以減小像素位移誤差。

圖3 畸變改正前

圖4 畸變改正后

為確保飛機(jī)在空中姿態(tài)的穩(wěn)定性，減小旋片角、橫滾角的角度，飛行采用與風(fēng)向平行飛行，共飛行兩架次，拍攝相片2600多張，組成27個航帶，單個航帶最少為32張，最多為145張。航向重疊度為70%～80%，航間重疊度為25%～45%。拍攝的影像實際地面分辨率為7.7cm，對照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)完全滿足1：1000 DLG制作的要求。

1.4 相機(jī)檢校及畸變改正

采用佳能5D Mark II相機(jī)屬于非量測相機(jī)。因民用非量測相機(jī)拍攝的影像畸變差大，直接關(guān)系到成果的幾何精度，故航攝前需對相機(jī)進(jìn)行畸變檢校，航攝后對影像進(jìn)行畸變改正。本流程是低空攝影測量中非常重要的一步。

通過CCD相機(jī)獲取的影像，其幾何畸變主要來自光學(xué)誤差和電學(xué)誤差[2]。光學(xué)誤差主要是指相機(jī)光學(xué)鏡頭所產(chǎn)生的鏡頭畸變差，它包含對稱畸變差和非對稱畸變差，鏡頭畸變差在影像上一般表現(xiàn)為中心小、周邊大的特點。CCD相機(jī)的電學(xué)誤差主要表現(xiàn)在CCD影像上呈現(xiàn)一種抖動狀。該誤差通?？珊喕上袼氐拈L寬尺度比例因子和像平面X軸與Y軸不正交所產(chǎn)生的畸變。綜上，像點坐標(biāo)畸變差改正的公式可簡化為[3]：

（1）式中，x與y是像點坐標(biāo)，x0與y0是像主點坐標(biāo)，kn(n為自然數(shù))是待定的徑向畸變差系數(shù)，p1與p2是待定的非對稱畸變系數(shù)，r是以像主點為極點的向徑。在實際應(yīng)用中，徑向畸變系數(shù)kn通常取到k3即能滿足要求。

做完畸變改正后可對影像進(jìn)行目視檢查，一般畸變改正后的影像呈桶形向外擴(kuò)散，見圖3、4所示。

如需進(jìn)一步的檢測畸變參數(shù)的準(zhǔn)確性需進(jìn)行影像相對定向。

1.5 像片控制點的布設(shè)及測量

區(qū)域網(wǎng)布點采用平高控制點按整體進(jìn)行布設(shè)。根據(jù)相機(jī)參數(shù)、相對于成圖比例拍攝的放大倍數(shù)、相對航高、視差量測的單位權(quán)中誤差等確定像片控制點航向基線數(shù)跨度。其公式如下：

（2）（3）式中：ms為連接點（空三加密點）的平面中誤差，單位為 mm；mh為連接點（空三加密點）的高程中誤差，單位為m；K為像片放大成圖的倍數(shù)；H為相對航高，單位為m；b為像片基線長度，單位為mm；mq為視差量測的單位權(quán)中誤差，單位為mm；n為航線方向相鄰平面控制點的間隔基線數(shù)。

由于低空影像重疊度變化大，可按以上公式（2）（3）計算滿足最弱點連接點的平面高程中誤差要求的像片控制點航向基線數(shù)跨度。一般情況下，在視差量測的單位權(quán)中誤差接近1/3像素左右條件下，平高控制點的航向間隔基線數(shù)參照公式（2）（3）計算為6～8條，旁向間隔為2～4條。

由于低空數(shù)碼影像像幅小、影像數(shù)量多，只有在DPGrid工程管理系統(tǒng)中做完自由網(wǎng)平差后進(jìn)行滿足像片選點條件的布點。

外業(yè)采用GPS RTK測量像控點的三維坐標(biāo)是非常高效與可靠的，測量時根據(jù)內(nèi)業(yè)制作的刺點片拍攝現(xiàn)場測量點位位置近景遠(yuǎn)景照片及量取比高。

1.6 自動空三

本項目低空數(shù)據(jù)處理采用武漢大學(xué)張祖勛院士領(lǐng)銜研制的新一代數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)（DPGrid），DPGrid將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)、高性能計算技術(shù)與數(shù)字?jǐn)z影測量處理技術(shù)相結(jié)合，它包括工程管理模塊、自動空三模塊及產(chǎn)品生產(chǎn)模塊[4]。

根據(jù)測區(qū)范圍所示，將影像按照正確的飛行方向在DPGrid工程下進(jìn)行航帶排列，待上下航帶首片相互對齊后，采用基于最小二乘匹配算法進(jìn)行自動匹配，設(shè)置航向匹配搜索范圍參數(shù)為25%、航間匹配參數(shù)搜索范圍為15%。匹配完成后進(jìn)行5×5×3自動智能挑點，通過多張影像多基線構(gòu)建局部自由網(wǎng)平差剔除誤差匹配點，高精度保留標(biāo)準(zhǔn)點位定向點，使航片上加密點在50個以上并盡可能均勻分布。通過大量高精度、高強(qiáng)度的加密點進(jìn)行模型連接，增加了模型連接強(qiáng)度。

最后，采用光束法平差方法剔除錯誤像點，若系統(tǒng)存在固定誤差時可加入12參數(shù)以上的系統(tǒng)誤差改正模型進(jìn)一步提高空三精度，達(dá)到測圖要求的空三相關(guān)精度指標(biāo)應(yīng)與航空規(guī)范中相關(guān)要求相一致。

1.7 無縫測圖

由于低空影像像幅小，重疊度大，就會導(dǎo)致模型基高比變小，進(jìn)而導(dǎo)致測圖時高程精度降低。同時影像數(shù)量多，會導(dǎo)致模型數(shù)量同比例變多，相對傳統(tǒng)航片來說，測同一幅圖，調(diào)用的模型數(shù)目多，模型之間來回切換頻繁。采用蘇武現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)—無縫測圖模塊只要加載DPGrid空三平差后的外方位元素及畸變改正后的影像就可進(jìn)行測圖，測圖過程中可以自動根據(jù)目標(biāo)地物坐標(biāo)切換模型，同時可以根據(jù)最佳交會角進(jìn)行測量，避免傳統(tǒng)立體測圖需要做相對定向、絕對定向的作業(yè)過程，大大提高了作業(yè)的方便性。

1.8 DOM勻色鑲嵌

處理低空影像的顏色問題，在DOM鑲嵌制作過程中是一項重要的工序。一般來講，影響正射影像最終顏色質(zhì)量的主要因素一是單張影像內(nèi)部亮度分布不均勻二是多張影像間色彩差異較大[5]。在DPGrid正射鑲嵌系統(tǒng)中通過建立基于模板比值等多種算法對單張影像逐一進(jìn)行匹配勻光，多張影像間采用基于Wallis濾波器的勻色處理[6]，這樣很好地解決了以上問題。

采用快速鑲嵌方法而成的圖內(nèi)鑲嵌線相對規(guī)整，能夠方便且易于人工編輯處理解決局部拼接線及色調(diào)差的問題。相比系統(tǒng)提供智能蟻群算法鑲嵌更適合目視圖面檢查及修改。局部如大面積水系色差等現(xiàn)象的調(diào)整可調(diào)取photoshop修改后回存，回存調(diào)整羽化值，可以很好地處理圖像色差問題。

1.9 成圖精度評定

1.9.1 根據(jù)規(guī)范要求，區(qū)域網(wǎng)平差計算結(jié)束后，連接點對最近野外控制點的平面位置中誤差、高程中誤差不得大于下表1規(guī)定。成圖比例尺點別

表1 連接點中誤差

1.9.2 本加密區(qū)相對定向連接點上下視差中誤差為0.00223mm（規(guī)范允許上下視差中誤差為2/3個像素0.00427mm），連接點上下視差最大殘差為0.00549mm（限差為4/3個像素）。對整個加密區(qū)2602張航片進(jìn)行統(tǒng)計，殘余上下視差精度統(tǒng)計見下表2。

表2 殘余上下視差區(qū)間精度統(tǒng)計

1.9.3 模型連接較差限值按公式（3）和公式（4）計算：

（4）（5）式中：m為航攝比例尺分母；f為航攝儀焦距；b為像片基線長度，式中△S、△Z以米為單位。

采用DPGrid.BA平差系統(tǒng)直接計算所得為模型連接空間較差，即模型連接空間較差詳見下表3。

表3 模型連接空間區(qū)間較差

1.9.4 絕對定向

區(qū)域網(wǎng)控制點的平面和高程成果取用RTK像控測量成果數(shù)據(jù)，本次利用像控點為430個，其中空三加密過程中409個點作為基本定向點，21個點作為檢查點。本測區(qū)分為一個區(qū)域網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)平差計算結(jié)束后，對基本定向點殘差值、檢查點誤差不符值進(jìn)行了統(tǒng)計，如表4。

表4 基本定向點、檢查點精度統(tǒng)計表

綜上可知，本加密區(qū)加密成果平面精度良好，高程精度達(dá)不到規(guī)范規(guī)定要求。

1.9.5 外業(yè)精度檢測

野外對地形圖地物點進(jìn)行檢測，檢測后的地形圖地物點點位中誤差精度區(qū)間統(tǒng)計如下表5（參照地形圖點位中誤差應(yīng)小于實地±50CM的精度要求）：

表5 地物點點位中誤差區(qū)間精度統(tǒng)計

1.9.6 將DOM與地形圖進(jìn)行疊加，將DOM上采集坐標(biāo)與地形圖同名點進(jìn)行比較。經(jīng)統(tǒng)計，DOM平面位置中誤差為0.20m（允許中誤差為0.50m），DOM平面位置較差按中誤差進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計如下表6。

各項統(tǒng)計結(jié)果表明，本項目的DLG、DOM成果精度均符合制作要求。采用低空航測方法

表6 DOM平面位置較差區(qū)間精度統(tǒng)計

2 結(jié)論

工程實踐表明，對于小城鎮(zhèn)及待開發(fā)區(qū)域等航測面積不是很大和應(yīng)急需要的情況下，采用低空無人飛機(jī)航攝具有機(jī)動靈活、周期短等優(yōu)勢。

利用無人機(jī)航測生產(chǎn)DLG產(chǎn)品，由于像幅小，增加了加密與測圖的工作量，應(yīng)用DPGrid系統(tǒng)使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難度減少了，高度集成的自動化提高了制作效率。

采用低空航測進(jìn)行DLG成圖的工序流程最好是先進(jìn)行自由網(wǎng)平差通過后再開展各項工作，這樣有利控制各道工序質(zhì)量。低空航測存在基高比小，即使選擇最佳交會角測圖高程精度往往很難滿足測圖需要，如何有效提高測高精度還需各方面的系統(tǒng)性研究。

［1］張祖勛.從數(shù)字?jǐn)z影測量工作站(DPW)到數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格(DPGrid)[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版,2007,32(7)：565-571.

［2］凡亦文,等.無人機(jī)航空攝影測量在大比例尺測圖中的應(yīng)用[A]//第十七屆中國遙感大會摘要集[C].2010.

［3］程效軍,胡敏捷.數(shù)字相機(jī)的檢校[J].鐵路航測,2001,4：12-14.

［4］初愛萍.基于DPGrid軟件的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理[J].科技傳播,2010(10)：196-97.

［5］李德仁,王密,潘俊.光學(xué)遙感影像的自動勻光處理及應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版,2006,31(9)：753-756.

［6］孫明偉.正射影像全自動快速制作關(guān)鍵技術(shù)研究[D].2009.