楊潤書，蘇建平，馬燕燕，王亞男

(云南省地礦測繪院，云南 昆明 650218)

0 引言

近年來，低空無人機航攝系統(tǒng)在全國陸續(xù)被推廣應用。云南省地礦測繪院于2010 年引進低空無人機航攝系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的探索，并進行了多個小項目的試作業(yè)和生產(chǎn)后，在航飛、影像數(shù)據(jù)獲取和正射影像圖的制作及DLG 的生產(chǎn)方面，已經(jīng)具有較強的生產(chǎn)能力。云南省國土資源廳根據(jù)農(nóng)村集體土地所有權(quán)和農(nóng)村宅基地使用權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作的有關規(guī)定，考慮到云南省特殊的地理環(huán)境及現(xiàn)狀，決定在云南省壩區(qū)內(nèi)采用0．2 m高分辨率正射影像圖作為農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證的工作底圖。經(jīng)過公開招投標，云南省地礦測繪院中標并承擔了曲靖市14 個壩區(qū)約5 000 km2的航攝及1∶2 000 正射影像圖(DOM)制作任務。

在云南省內(nèi)利用無人機航攝系統(tǒng)進行大面積航攝并獲取0．2 m高分辨率影像尚屬首次，該項目在實施前，對技術(shù)設計方案進行了專家論證和評審，項目完成后順利通過了云南省測繪產(chǎn)品檢測站的質(zhì)量檢驗。據(jù)此，本文通過對該項目的有關技術(shù)工作進行歸納總結(jié)，以便為利用低空無人機航攝系統(tǒng)進行大面積航攝并獲取高分辨率影像提供參考。

1 攝區(qū)概況

航攝區(qū)分布在云南省曲靖市所轄的羅平縣、師宗縣、陸良縣、麒麟?yún)^(qū)、沾益縣、會澤縣和宣威市的14 個壩區(qū)，范圍為東經(jīng)103°23' ～104°26'，北緯24°36'～26°36'，見圖1 中的范圍線所示區(qū)域。

圖1 曲靖市14 個壩區(qū)航攝范圍圖Fig．1 The aerial photography range of 14 flatlands in Qujing

工作任務包括:完成14 個壩區(qū)5 250 km2的航攝任務及1∶2 000標準分幅正射影像圖(DOM)的制作(圖幅數(shù)為5 425，影像分辨率為0．2 m)。

2 無人機低空航攝

本文所述的無人機航攝系統(tǒng)以快眼II 型無人機為飛行平臺。快眼II 型無人飛機最大空速為160 km/h，巡航空速為120 km/h，航時約2 ～3 h。根據(jù)航向重疊度為65%、旁向重疊度為35%的要求及各區(qū)域的地形情況，將整個項目區(qū)分為73個攝區(qū)，126 個架次進行飛行。按照設計要求，航拍0．2 m 分辨率的影像，使用Canon 5D Mark II 的相機和焦距為24 mm 鏡頭，飛行高度為750 m，航間距727 m，拍照間距為261 m。若使用焦距35 mm 的鏡頭，則飛行高度為1 100 m，航間距731 m，拍照間距為263 m。在進行航線設計時，為了保證整個攝區(qū)航攝分辨率達到或優(yōu)于0．2 m，設定的航高應略小于設計值;考慮到地形起伏和重疊度的要求，航間距和拍照間距一般應比理論值?。?-3］。

對14 個壩區(qū)中的每一個壩子逐一進行航攝，根據(jù)壩子形狀、大小和地形起伏不同，分成若干個攝區(qū)進行作業(yè)，1 個攝區(qū)可以進行1 個架次的飛行，也可以進行多個架次的飛行。

3 飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量分析

3．1 飛行質(zhì)量

各個壩區(qū)飛行質(zhì)量統(tǒng)計，如表1 所示。

由表1 可以看出:航向重疊度為59% ～85%，旁向重疊度為30% ～65%，像片俯仰角為3°，滾轉(zhuǎn)角為4° ～7°，旋偏角為4°～9°，測區(qū)內(nèi)航高差27 ～38 m。

3．2 影像質(zhì)量

本項目拍攝所獲影像清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和，能分辨出與地面分辨率相適應的細小地物影像，且能建立清晰的立體模型。影像上無云、煙、大面積反光、污點等缺陷。僅有少部分影像有小面積反光現(xiàn)象，但不影響立體模型的連接和測繪，可以在后期進行處理。拼接影像無明顯模糊、重影和錯位現(xiàn)象。

4 像控點測量

外業(yè)像控點測區(qū)內(nèi)布點情況:航線按間隔5 條基線布設1個平高控制點，旁向按4 條航線布設一排平高控制點。像控點位目標要求清晰，易于判刺，對空開闊，且要選在3°以上重疊特征明顯的位置，所選點應以地面較堅固且不易變化的目標點為主，如線狀地物交叉點(正交最佳)，明顯地物拐角點。所用測量設備包括:南方靈銳S82 型雙頻GPS(RTK)4 臺套;Trimble 5700 型雙頻GPS(RTK)4 臺套。

本項目共完成14 個壩區(qū)影像控制點5 775 個，控制面積5 250 km2。控制點均勻分布于各測區(qū)內(nèi)，檢查點均勻分布于各測區(qū)內(nèi)。各點位精度均優(yōu)于±0．20 m，達到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

5 數(shù)據(jù)處理

所需數(shù)據(jù)為像片數(shù)據(jù)、相機檢校數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)。其中，相片數(shù)據(jù)由外業(yè)航拍獲得;相機檢校數(shù)據(jù)是指航拍所使用相機的檢校數(shù)據(jù)，由相機檢校部門提供;控制點數(shù)據(jù)采用GPS RTK測量獲得。此項目航拍共獲取像片約44 843張，根據(jù)航拍情況，分為73 個測區(qū)進行數(shù)據(jù)處理。

5．1 影像預處理

首先要對外業(yè)獲取的像片進行畸變糾正，以相機檢校文件為依據(jù)，采用軟件進行處理，消除畸變差;然后將消除畸變后的像片導入DPGrid 軟件中，進行旋轉(zhuǎn)、Willis、Harris、金字塔、快視圖等預處理;最后再根據(jù)外業(yè)航拍軌跡排列設置航帶。

5．2 空中三角測量

DPGrid 同名點匹配采用全自動匹配，但匹配前需將航帶間對應的像片對齊，然后設置匹配參數(shù)，再進行自動匹配點。自動匹配完成后，進行串點、標準點位挑點工作。之后進入交互編輯手工挑點，挑出錯誤點，匹配點不足區(qū)域需手工加點。經(jīng)過交互編輯，測區(qū)點位誤差符合要求后輸出空三加密成果。

使用控制點、檢查點的情況:定向點5 087 點，檢查點551點。通過檢查點的較差分析，判定內(nèi)業(yè)空三結(jié)果是否達到1∶2 000正射影像的精度要求。經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)平差后，整個項目的定向點、檢查點精度，如表2 所示。

表2 基本定向點和檢查點精度Tab．2 The precision of the basic orientation points and check points

根據(jù)CH/Z 3003 -2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》規(guī)定:制作1∶2 000數(shù)字正射影像圖時，區(qū)域網(wǎng)平差后，基本定向點殘差、檢查點誤差不大于表3 規(guī)定。

表3 定向點殘差/檢查點誤差最大限值Tab．3 The maximum limit both the orientation points error and check points error

從表2、表3 可以看出:該項目所有的基本定向點和檢查點中誤差都符合要求，絕對定向精度達到了生成1∶2 000正射影像圖的要求，從而為DOM 的生產(chǎn)提供了保證。

5．3 DOM 的生產(chǎn)及編輯

經(jīng)過以上幾個步驟，輸出DEM 和DOM 產(chǎn)品。生產(chǎn)DOM 時需要手工進行整飾編輯，以使圖面色彩更完美。

由于本項目的DOM 是分測區(qū)進行制作的，因此各測區(qū)間還要進行接邊。接邊工作要靠手工完成，可采用DPGrid、ERDAS、Photoshop 等軟件進行。最后將DOM 分幅裁剪，加上圖框和注記等整飾內(nèi)容后即完成標準分幅正射影像的制作。

DOM 的編輯包括:拼接線的編輯和影像拉花變形編輯。對于拼接線的編輯，拼接線應根據(jù)地物的情況進行選取，如拼接區(qū)域通過居民地時，拼接線應繞開居民地，另外要保證拼接線兩邊地物色彩平衡，亮度反差適中。對于影像拉花變形的編輯，要對拉花變形區(qū)域指定合適的編輯參數(shù)和方法進行編輯，最終使DEM 切準地面，DOM 影像完整、美觀。

6 影像質(zhì)量檢查及精度分析

本項目檢查方式是，先由作業(yè)員自查、部門內(nèi)業(yè)檢查，然后交院生產(chǎn)技術(shù)部抽查，最后提交云南省國土資源廳委托的檢測單位——云南省測繪產(chǎn)品檢測站最終檢查，檢查合格后組織驗收。本項目DOM 的精度檢測采用4 種方法:

1)利用保密點檢測。是指將通過空三采集的保密點與DOM 上對應的地物點的坐標進行比較，計算檢測點坐標互差并統(tǒng)計平面位置中誤差。

2)利用已有的控制點檢測。是指通過已有控制點與DOM上相應地物點進行坐標比較。

3)利用已有地形圖進行套合檢測。是指利用已有的1∶500地形圖，通過在地形圖上采集明顯地物點與對應DOM 上相應地物點進行坐標比較。

4)實地測點檢測。是指利用GPS RTK 測定明顯地物點的坐標，將其與數(shù)字正射影像圖相應點的坐標進行比較，計算檢測點坐標互差并統(tǒng)計平面位置中誤差。

需要注意的是，后3 種方式的檢查精度都要滿足外業(yè)實地采集檢測點的精度要求。

6．1 院級質(zhì)量檢查及精度分析

在該項目中，除了陸良縣芳華壩子有地形圖進行套合檢查外，其它壩子均采用控制點進行檢查。保密點、像控點和地形圖套合檢查結(jié)果，如表4 所示。實地測量的明顯地物點的檢查結(jié)果，如表5 所示。

表4 內(nèi)外業(yè)精度統(tǒng)計表Tab．4 The auuracy statistics of the field and indoor work

項目按73 個測區(qū)(由于篇幅所限，僅以縣為單位即8 個行政區(qū)進行統(tǒng)計)共檢查了保密點32 321 個，點位中誤差為±0．41 m，限差為±0．8 m。除陸良縣因采用兩種方法檢查而分別進行統(tǒng)計外，其余均按縣(區(qū))進行統(tǒng)計。從表4 可看出，內(nèi)業(yè)像控制點檢查，中誤差最小為±0．46 m，最大為±0．68 m，表明正射影像圖精度均勻。對項目區(qū)進行控制點檢查和地形圖套合檢查，其中7 個行政區(qū)(除陸良芳華壩子外)使用了控制點檢查，共檢查控制點3 823個點，點位中誤差為±0．59 m，限差為±1．2 m;最大點位誤差為2．38 m，限差為2．4 m。陸良芳華壩子使用地形圖套合檢查，共檢查了344 個點，點位中誤差為±0．65 m，限差為± 1． 2 m;最大點位誤差為2． 22 m，限差為2．4 m。

正射影像圖制作完成后，利用RTK 測得的結(jié)果對各壩區(qū)明顯地物點進行檢查，統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 外業(yè)測點精度統(tǒng)計表Tab．5 The precision statistics of the field measuring points

按14 個壩子利用GPS RTK 實地測量明顯地物點共檢查了1 758個點，點位中誤差為±0．66 m，限差為±1．2 m;最大點位誤差為2．29 m，限差為2．4 m。

從4 種方法的檢查結(jié)果可以看出，該項目獲取的1∶2 000 DOM 精度能滿足規(guī)范要求。

6．2 云南省測繪產(chǎn)品檢測站檢測結(jié)果

本項目順利通過云南省測繪產(chǎn)品檢測站的檢驗，檢查結(jié)果為:采用的空間坐標系符合要求，制作的1∶2 000正射影像圖色調(diào)均勻、紋理清晰、層次豐富。共抽檢了202 幅DOM，檢驗結(jié)果為:平面位置精度平均為±0．70 m，平均分為82．2 分。各壩子正射影像圖質(zhì)量及得分情況，如表6 所示。

6．3 云南省國土資源廳最終驗收結(jié)果

由云南省國土資源廳組織的有關專家對云南省地礦測繪院完成的“云南省農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證購買第二批高分辨率航飛數(shù)據(jù)”項目成果進行驗收，驗收結(jié)果為:該項目在云南省屬首次大面積采用低空無人機航攝系統(tǒng)開展數(shù)字航空攝影，并且在數(shù)字航空攝影、外業(yè)像控測量、空三加密、DOM 制作等方面技術(shù)路線制定科學合理，技術(shù)先進，成果質(zhì)量優(yōu)良。

表6 正射影像圖質(zhì)量統(tǒng)計及得分Tab．6 The quality statistics and score of DOM

7 結(jié)論

在項目完成后，對獲得的正射影像圖進行了實地外業(yè)檢測和精度分析，結(jié)果顯示:利用無人機低空航攝系統(tǒng)拍攝并制作完成的曲靖市14 個壩區(qū)5 250 km2的1∶2 000正射影像圖影像清晰、反差適中、色彩及色調(diào)均勻，影像無錯位、扭曲、拉花等現(xiàn)象，拼接無縫，數(shù)學精度較高，符合技術(shù)設計要求，能滿足農(nóng)村集體土地所有權(quán)和使用權(quán)確權(quán)登記發(fā)證工作的需要。另外，由于該項目在飛行質(zhì)量、影像質(zhì)量、像控質(zhì)量、后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量等各個環(huán)節(jié)都有保障，因此保證了正射影像圖的最終質(zhì)量。

本文介紹了利用低空無人機航攝系統(tǒng)在云南省內(nèi)首次進行大面積高分辨率航攝，并成功制作1∶2 000正射影像圖的主要技術(shù)流程，旨在為今后低空無人機航攝系統(tǒng)在各行各業(yè)的廣泛應用提供參考。

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