王一川　胡海友

(中國(guó)中鐵二院測(cè)繪工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都　610083)

Topographic Mapping Analysis of the Power Delta Wing Images

WANG Yichuan　HU Haiyou

基于空中動(dòng)力三角翼影像制圖研究

王一川胡海友

(中國(guó)中鐵二院測(cè)繪工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都610083)

Topographic Mapping Analysis of the Power Delta Wing Images

WANG YichuanHU Haiyou

摘要介紹利用空中動(dòng)力三角翼所獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)制圖的過(guò)程，用INPHO軟件進(jìn)行空三加密，利用JX4-G數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行地貌和地物的數(shù)據(jù)立體采集。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，利用三角翼影像可以滿(mǎn)足1∶2 000地形圖的精度要求。

關(guān)鍵詞空中動(dòng)力三角翼精度制圖

動(dòng)力三角翼又叫動(dòng)力懸掛滑翔機(jī)，有質(zhì)量輕、簡(jiǎn)單易學(xué)、安全性高等特點(diǎn)，現(xiàn)多用于體育愛(ài)好者當(dāng)中。他比飛艇和無(wú)人機(jī)大且重，受氣流影像較小，飛行姿態(tài)穩(wěn)定，采用動(dòng)力三角翼進(jìn)行航攝，得到的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。動(dòng)力三角翼上一般可坐2～3人，由于有人為控制，不存在墜機(jī)危險(xiǎn)，這樣可以搭載質(zhì)量很好的相機(jī)(如Phase One等量測(cè)相機(jī))，影像畸變會(huì)比無(wú)人機(jī)常使用的Cannon EOS 5D MarkII相機(jī)小很多，使后續(xù)的空三過(guò)程更加順暢，定向和制圖的精度會(huì)更高。安全系數(shù)得到保障后，空中飛行管制也會(huì)比無(wú)人機(jī)寬松許多，在人口密集的城鎮(zhèn)等地優(yōu)勢(shì)明顯高于無(wú)人機(jī)。

在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)利用INPHO軟件對(duì)動(dòng)力三角翼影像進(jìn)行空三加密，采用JX4-G數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)立體采集。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證動(dòng)力三角翼影像空三是否滿(mǎn)足大比例尺地形圖精度要求。

1動(dòng)力三角翼航拍影像的特點(diǎn)

1.1　影像質(zhì)量

動(dòng)力三角翼由于飛行高度較低，使用CCD數(shù)碼相機(jī)作為傳感器，因此影像空間分辨率很高。而且動(dòng)力三角翼不存在墜機(jī)的危險(xiǎn)，因此搭載的相機(jī)都是比較好的量測(cè)相機(jī)，如Phase One等，影像畸變小、影像邊緣變形小、拖尾現(xiàn)象也不明顯。但和UCD和DMC等相機(jī)比較，質(zhì)量還是有差距。最好在空三之前先做一次去畸變處理，或在空三加密時(shí)詳細(xì)定義相機(jī)的畸變參數(shù)。

1.2　像片旋偏角大

像片旋角是指以一張像片為基準(zhǔn)，在相鄰像片上選取兩個(gè)同名點(diǎn)，兩張影像所構(gòu)成的夾角[2]。根據(jù)《鐵路工程攝影測(cè)量規(guī)范》的規(guī)定，像片的旋偏角不宜大于10°。由于動(dòng)力三角翼重量輕，易受到氣流的影像，姿態(tài)極不穩(wěn)定。像片的旋偏角一般都會(huì)大于這個(gè)數(shù)值，為空三自動(dòng)相對(duì)定向帶來(lái)難度，這也是低空飛行器普遍存在的一個(gè)弊端。

1.3　像片航向重疊和旁向重疊大

為了在DOM生產(chǎn)時(shí)選取效果最好的像對(duì)，在飛行時(shí)一般會(huì)人為加大航向和旁向重疊度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，航向重疊最好在65%～70%，旁向重疊最好在40%。這樣每個(gè)地物基本上可以保證在8張像片上可以同時(shí)看到。另外，動(dòng)力三角翼飛行受到氣流影響，姿態(tài)不穩(wěn)定，考慮旋偏角、傾角和航線(xiàn)的彎曲度等影響后，也需要人為地加大航向和旁向重疊度。

1.4　像片數(shù)量多

動(dòng)力三角翼搭載的是一般的數(shù)碼相機(jī)，影像像幅很小，一般為幾個(gè)厘米，一個(gè)測(cè)區(qū)就會(huì)有上百?gòu)堄跋瘛Ｔ偌由蟿?dòng)力三角翼飛行時(shí)會(huì)增大旁向和航向的重疊度，因此一個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的像片數(shù)就會(huì)更多。

1.5　像片基線(xiàn)短

動(dòng)力三角翼拍攝像片基線(xiàn)都很短，在加上拍攝航高小，動(dòng)力三角翼影像所形成像對(duì)的立體感不如大飛機(jī)所裝載的UCD和DMC相機(jī)，人工采集時(shí)高程精度不容易保證，空三加密時(shí)需要更多的高程點(diǎn)參與平差計(jì)算，這給外業(yè)內(nèi)業(yè)都帶來(lái)了更大的工作量。

2動(dòng)力三角翼影像制圖關(guān)鍵步驟質(zhì)量控制

2.1　像片去畸變

動(dòng)力三角翼上搭載的相機(jī)不如大飛機(jī)搭載的相機(jī)性能好，空三加密及立體采集最好使用經(jīng)過(guò)去畸變處理的影像。一般空三軟件PixelGrid、MapMatrix等都可完成。如果沒(méi)有做，則要在空三加密定義相機(jī)文件時(shí)詳細(xì)地定義相機(jī)畸變參數(shù)。

2.2　空三加密

現(xiàn)在能夠進(jìn)行動(dòng)力三角翼影像空三加密的軟件有很多。比較成熟的有PixelGrid、DPGrid、PixelFactory、INPHO、DATMatrix等。由于它們相對(duì)于傳統(tǒng)的空三加密軟件主要是在自動(dòng)相對(duì)定向點(diǎn)匹配上功能有所增強(qiáng)，這樣大大減少了人工的工作量。各種軟件在處理流程上基本一致，如圖1所示。

動(dòng)力三角翼影像空三加密要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)相對(duì)定向限差

《鐵路工程攝影測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定相對(duì)定向點(diǎn)的殘余上下視差限差為0.008 mm。但數(shù)碼相機(jī)像素多在0.008 mm以下，所以這個(gè)規(guī)定顯然不適合動(dòng)力三角翼相機(jī)。利用動(dòng)力三角翼數(shù)碼片進(jìn)行空三加密要執(zhí)行《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中的規(guī)定：連接點(diǎn)的上下視差中誤差為2/3像素，最大殘差4/3個(gè)像素，特別困難地區(qū)可放寬0.5倍。

(2)相對(duì)定向自動(dòng)匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)要求

由于低空飛行器的影像都有像片數(shù)量眾多等特點(diǎn)，要求人工做相對(duì)定向是幾乎不可能完成的。這樣相對(duì)定向自動(dòng)匹配點(diǎn)的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)空三加密的質(zhì)量就起著決定性的作用。在植被茂盛的山區(qū)或大面積落水的區(qū)域，要特別關(guān)注點(diǎn)的數(shù)量是否符合要求。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)像對(duì)中匹配的自動(dòng)點(diǎn)必須均勻分布，數(shù)量越多越好。如果發(fā)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)匹配過(guò)少的情況必須人工加點(diǎn)，或建立一個(gè)子區(qū)，調(diào)整參數(shù)，設(shè)置重新匹配等方法，使自動(dòng)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到要求。

(3)POS數(shù)據(jù)是否參與平差計(jì)算

大飛機(jī)飛的影像姿態(tài)穩(wěn)定，GPS和IMU數(shù)據(jù)精度比較高。但是動(dòng)力三角翼受氣流影像較大，GPS和IMU數(shù)據(jù)精度很低。在空三自動(dòng)做相對(duì)定向匹配同名點(diǎn)時(shí)可以使用，但在平差計(jì)算時(shí)，有可能精度太差的POS數(shù)據(jù)反而會(huì)影響平差的精度，最好不要參與平差計(jì)算?；蛘咴跍y(cè)區(qū)量完控制點(diǎn)后利用平差計(jì)算一次后的GPS和IMU數(shù)據(jù)再參與第二次平差計(jì)算，以求提高計(jì)算精度。

2.3　數(shù)據(jù)立體采集

與傳統(tǒng)大飛機(jī)航飛影像相比較，利用空中動(dòng)力三角翼影像制圖在以下幾個(gè)方面應(yīng)加強(qiáng)檢查：

(1)空中動(dòng)力三角翼影像一般比較多，立體像對(duì)也相對(duì)較多，會(huì)影響制圖效率，作業(yè)員這時(shí)可能會(huì)忽略立體采集的范圍不應(yīng)超過(guò)像片上控制點(diǎn)連線(xiàn)的要求?？罩袆?dòng)力三角翼影像畸變比較大，測(cè)圖時(shí)太靠近影像邊緣會(huì)對(duì)采集精度帶來(lái)影響，需要檢查人員加強(qiáng)檢查力度。

(2)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)更加注意像對(duì)之間的接邊檢查。由于空三加密時(shí)全自動(dòng)匹配的連接點(diǎn)還是沒(méi)有人工點(diǎn)精度可靠，因此在數(shù)據(jù)立體采集前應(yīng)先檢查像對(duì)間的接邊，如果超出規(guī)范要求，必須返回空三步驟修改。

3實(shí)驗(yàn)區(qū)

3.1　實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)的區(qū)域?yàn)樗拇ㄊ￠佒惺心抽_(kāi)發(fā)區(qū)，面積大約10 km2。該地區(qū)主要是丘陵地形，高差約150～200 m，屬于Ⅱ級(jí)地形。制圖比例為1∶2 000。

3.2　數(shù)據(jù)資料

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)共航飛了9個(gè)航帶，581片影像。由數(shù)碼相機(jī)Phase One拍攝，像元大小為0.006 mm，數(shù)碼影像的空間分辨率大小約為0.15 m，相對(duì)航高1 000 m左右。為了保證后期制作DOM的效果，航線(xiàn)內(nèi)重疊達(dá)到了70%左右，旁向重疊在50%左右。外業(yè)在測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)了45個(gè)控制點(diǎn)，113個(gè)加密檢查點(diǎn)。

3.3　處理軟件

處理三角翼影像的軟件有很多，選擇處理無(wú)人機(jī)影像的空三軟件主要是注意影像點(diǎn)自動(dòng)匹配功能是否強(qiáng)大?，F(xiàn)在市場(chǎng)上比較常用的有PixelGrid、DPGrid、PixelFactory、INPHO、DATMatrix等。但是在影像匹配和處理速度上來(lái)說(shuō)，INPHO軟件是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的性能比較好的一款軟件。它是世界領(lǐng)先的用于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以及地表模型建立的軟件，已有30多年的發(fā)展歷史，其空三模塊在影像自動(dòng)匹配上有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。在地形地貌十分復(fù)雜的地區(qū)、植被覆蓋密集的地區(qū)或大面積水域，INPHO軟件影像點(diǎn)的自動(dòng)匹配程度都很高，特別適合西部山區(qū)作業(yè)。連接點(diǎn)的自動(dòng)匹配可以減少大量的人工操作，對(duì)影像數(shù)眾多的無(wú)人機(jī)影像是十分重要的，可大大提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)時(shí)間。

3.4　空三加密精度統(tǒng)計(jì)。

動(dòng)力三角翼空三加密的精度依據(jù)《低空數(shù)據(jù)航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中1∶2 000圖，丘陵地形的要求，如表1所示。

45個(gè)控制點(diǎn)全部參與平差計(jì)算后精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

基本定向點(diǎn)的結(jié)果完全滿(mǎn)足《低空數(shù)據(jù)航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》對(duì)1∶2000地形圖要求，而且平面精度要優(yōu)于高程精度。

檢查點(diǎn)中誤差為Mz=0.770 m，結(jié)果也可滿(mǎn)足《低空數(shù)據(jù)航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中丘陵地形對(duì)加密檢查點(diǎn)的高程要求。

4結(jié)論

通過(guò)計(jì)算空三定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)的平面高程中誤差可以看出，本實(shí)驗(yàn)區(qū)空三精度完全可以滿(mǎn)足《低空數(shù)據(jù)航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中丘陵地的定向精度要求，空中動(dòng)力三角翼影像可以用于低空大比例尺地形圖繪制。和傳統(tǒng)航飛獲取影像制圖相比，本項(xiàng)目選擇使用動(dòng)力三角翼來(lái)攝影制圖縮短了影像獲取時(shí)間，節(jié)約了成本，且質(zhì)量也能得到保障。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)05-0007-03

作者簡(jiǎn)介：第一王一川(1981—)，女，碩士，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-06-04