尚海興,薛紹軍,雷建朝,黃文鈺,楊 剛

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0018—05

無人機低空攝影測量技術(shù)在水電工程測繪的應(yīng)用

尚海興,薛紹軍,雷建朝,黃文鈺,楊 剛

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

闡述了低空航測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和系統(tǒng)組成，探討了利用該系統(tǒng)進行航測作業(yè)的技術(shù)流程，并進行DLG、DEM和DOM數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)試驗，最后對成果進行精度評定和可行性分析，結(jié)果表明低空影像可用于小區(qū)域的大比例尺快速地形測繪。

低空影像；無人機；地形測繪；DOM

0 前 言

相對于航空航天遙感平臺，低空遙感平臺有著獨特的優(yōu)勢。① 傳感器為小像幅數(shù)碼相機，作業(yè)成本低；② 無需申請空域，起降靈活,能實現(xiàn)快速測繪；③ 云下攝影，能夠獲取大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有著巨大的優(yōu)勢；④ 影像重疊度高，有利于提高后續(xù)處理的可靠性。由于上述的諸多優(yōu)勢，無人機低空攝影測量技術(shù)已成為大飛機與衛(wèi)星遙感平臺的有效補充，特別適合較小面積測區(qū)的航空攝影測量，現(xiàn)已逐步從試驗研究走向生產(chǎn)應(yīng)用[1]。

1 低空航測系統(tǒng)概述

圖1 無人機低空航測系統(tǒng)組成圖

無人機低空航測系統(tǒng)一般包括空中航攝系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。無人機航測系統(tǒng)工作流程為：首先根據(jù)任務(wù)要求對測區(qū)進行航線規(guī)劃，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)進行存儲，無人機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)，地面工作人員通過該數(shù)據(jù)實時監(jiān)測無人機的飛行航線，并對飛行航跡做必要調(diào)整。飛行任務(wù)結(jié)束后，地面控制飛機降落，下載影像，并快速進行影像質(zhì)量快速檢查，決定是否補飛。合格的影像轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，借助攝影測量工作站進行測繪產(chǎn)品(DLG，DEM，DOM等)的生產(chǎn)[2]。

2 低空航測工作技術(shù)流程

低空航測作業(yè)流程可歸結(jié)為3個階段：準備階段、外業(yè)實施階段和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段，如圖2所示。

圖2 無人機低空航測工作技術(shù)流程圖

2.1 測區(qū)概況

測區(qū)為黃河上游某水電站，高原半干旱型氣候，測區(qū)西北部為高山區(qū)，西南部為水電站庫區(qū)(大面積水域)，中間黃河貫穿，東南部主要為村莊和農(nóng)田，植被覆蓋較為嚴重，整個測區(qū)平均海拔2 000 m，最大相對高差300 m。本次作業(yè)主要完成覆蓋水電站以及附屬設(shè)施等區(qū)域的5.36 km2的1∶2 000(2 m等高距)比例尺DOM、DEM、DLG數(shù)據(jù)制作。

2.2 影像獲取

(1) 航高設(shè)計：測區(qū)影像獲取方式采用微型固定翼無人機搭載Canon EOS 450D單反相機,像幅大小4 272 pixel×2 848 pixel，像元大小5.20 μm，焦距24.308 mm。根據(jù)相對航高計算公式并兼顧精度與效率，攝影GSD(Ground Sample Distance)設(shè)為0.15～0.20 m[3]?？紤]測區(qū)地形起伏較大，為滿足整個測區(qū)成圖精度滿足1∶2 000地形圖測圖精度，相對航高比理論航高較低，設(shè)為600 m。全區(qū)設(shè)1個航攝區(qū)，飛行了1個架次，平均地面分辨率為0.13 m。

(2) 航線設(shè)計：根據(jù)攝影區(qū)域地形情況、起飛場地情況、攝影分辨率、數(shù)碼航測新型解算理論(即多基線自動空中三角測量解算)，以及航片重疊(航向重疊75%～85%，旁向重疊45%～55%，旁向最少不小于30%)要求等要素，使用“微型無人機低空遙感系統(tǒng)”自帶程序進行自動航線設(shè)計，共布設(shè)11條航線。

(3) 航飛數(shù)據(jù)檢查：航飛后共計完成航空攝影面積7.4 km2，584張航片，及時下載航攝影像與POS數(shù)據(jù)，經(jīng)測區(qū)全景圖快速拼接[4-6]進行航攝漏洞檢查，基于POS數(shù)據(jù)進行飛行質(zhì)量評估。經(jīng)檢查飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量滿足文獻[3]的要求。飛行質(zhì)量檢查：① 實際航攝影像覆蓋，航向超出范圍外1條基線，旁向超出范圍線大于像幅的15%；② 像片航向重疊大于60%，旁向重疊大于30%；③ 旋偏角一般小于10°。影像質(zhì)量檢查：① 影像無重影、虛影；② 影像反差適中、層次豐富、能辨別與攝影比例尺相適應(yīng)的細小地物影像，滿足外業(yè)全要素精確調(diào)繪和室內(nèi)判讀的要求；③ 影像色彩飽和度適中，無暗影和光暈。

2.3 像控點的布設(shè)與測量

無人機航攝傳感器品類繁多，像控點布設(shè)密度的研究還未有較為成熟的理論。本次任務(wù)像控點布設(shè)方法根據(jù)文獻[2]中關(guān)于像控點航向基線數(shù)跨度估算公式，計算出理論基線數(shù)不超過4條。當連接點平面中誤差確定后，基線跨度與相機的放大倍率相關(guān)；當連接點高程中誤差確定后，基線跨度與基高比相關(guān)。

根據(jù)相關(guān)試驗[7]結(jié)論：當航向基線跨度數(shù)小于或等于6時，布設(shè)野外像控點進行區(qū)域網(wǎng)平差，其平面和高程精度均可達到規(guī)范[8]對1∶2 000丘陵地的精度要求；當基線跨度數(shù)大于6條小于24條，平面精度成果可用，高程精度不達標。

因本次任務(wù)地面分辨率優(yōu)于相應(yīng)規(guī)范要求，故像控點布設(shè)方案如下。

(1) 航向：5～7條基線布設(shè)，西側(cè)水庫邊緣可適當將基線跨度數(shù)降為4條。

(2) 旁向：平緩區(qū)隔航帶布設(shè)1個，起伏較大的西側(cè)逐航帶布設(shè)。

成圖區(qū)域面積5.36 km2共計布設(shè)像控點28個(如圖3所示)，其中山丘和林地中地物不明顯區(qū)域布設(shè)飛前地標式像控點18個，飛后選刺地物像控點10個。地標式像控點應(yīng)置平在易尋找的空地，對空視角好，避免周邊樹木或建筑物遮擋。

根據(jù)規(guī)范[2]的要求，像控點測量的平面中誤差不超過地物點中誤差1/5，高程中誤差不超過基本等高距的1/10，根據(jù)壩址區(qū)已有GPS控制網(wǎng)成果，采用GPS-RTK測量模式進行像控點的測量。實測中采用2次取平均值的方法獲取最終觀測結(jié)果。

2.4 影像畸變改正

相對量測型航攝儀，非量測性單反相機存在較大影像畸變差，空三(空中三角測量)加密前需借助相機檢校文件對航攝原始影像進行畸變差改正，該步驟在無人機影像空三加密前處理十分必要。附加

圖3 像控點布設(shè)分布圖

參數(shù)的光束法平差中的系統(tǒng)畸變改正模型[9]如式(1)所示：

(1)

根據(jù)3個測區(qū)的數(shù)據(jù)試驗結(jié)果，對原始影像進行單文件畸變改正后的糾正文件參與平差的結(jié)果優(yōu)于直接對原始影像進行附加參數(shù)的光束法平差的結(jié)果。

2.5 空三加密

低空影像重疊度大，空中三角測量時，每個地面點對應(yīng)的像點觀測值較多，大量的多余觀測有利于觀測值的粗差探測和剔除[10]。光束法區(qū)域網(wǎng)平差以每張像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。如數(shù)碼相機檢校文件不準確，平差時需要將相機畸變參數(shù)作為未知數(shù)進行自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差，如式2所示。

(2)

式中: x、y為以像主點為原點的像平面坐標；f為相機主距；X、Y、Z為物點的地面坐標；XS、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)點的標準點位可能缺點，部分像片需要人工加點，另外庫區(qū)落水面積大于像幅1/2以上的影像剔除加密。

采用航天遠景DATMatrix2.0進行空三加密，相對定向精度不大于1/2像素，自動提取連接點后利用Patb粗差探測剔除粗差點。根據(jù)國家標準[8]對丘陵地基本定向點的平面位置和高程中誤差限差要求對本測區(qū)的地面控制點絕對定向精度統(tǒng)計如表1。

精度分析：從表1空三平差成果看，像控點平差結(jié)果平面坐標殘差均小于0.6m，高程殘差大部分不超過0.26m，因采用了隔航帶布點在高程控制上強度較弱，但基本滿足丘陵地1∶2 000比例尺成圖精度要求，為有效保證測高精度，宜采用逐航帶布設(shè)像控點，兼顧到效率，在精度較弱區(qū)域采集了少量高程散點作為高程控制點參與區(qū)域網(wǎng)平差計算來提高局部高程精度達到規(guī)范要求。另外攝區(qū)的特殊性在于地形起伏高達300m卻使用了同一航攝分區(qū)，如此會造成航攝比例尺不盡相同導(dǎo)致區(qū)域網(wǎng)平差精度分布不均。

表1 區(qū)域網(wǎng)平差像控點殘差統(tǒng)計表

圖4 DOM與DLG套合快速檢查圖

2.6 數(shù)字產(chǎn)品制作

2.6.1DLG制作

內(nèi)業(yè)采編：立體測圖采用了航天遠景的FeatureOne特征采集平臺。為提高采集效率和精度，采用了等高線采集和地物調(diào)繪分別進行。FeatureOne提供了強大的圖形編輯功能，基本實現(xiàn)數(shù)字線劃圖的采編一體化。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪片仔細辨認地物屬性，及時進行標記，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，在采集概略等高線，然后以采集的高程點作為地形控制點，修改概略等高線。最終將采集成果導(dǎo)入AutoCAD中進行編輯和圖層轉(zhuǎn)換。

2.6.2DEM與DOM制作

自動空三完成后即可借助MapMatrix4.1平臺通過自動匹配生產(chǎn)測區(qū)DEM。但因現(xiàn)實地物的復(fù)雜性，為了提高DEM的精度，需要對樹木、水域和人工地物進行人工編輯。

根據(jù)編輯的高精度DEM，可以對影像進行幾何糾正，在航天遠景EPT平臺下通過鑲嵌線自動搜索和人工編輯，并進行適當?shù)纳{(diào)均衡處理，自動鑲嵌處理成全區(qū)正射影像。對全區(qū)DOM進行圖廓整飾和圖面注記可制作正射影像掛圖。

DOM精度的目視檢查可通過與對應(yīng)區(qū)域DLG套合檢查，基于AutoCADVBA編程實現(xiàn)測區(qū)DLG與DOM套合顯示,如圖4所示。

2.7 精度評定

為對DLG與DOM測圖精度進行有效檢查，在航飛后采集遍布測區(qū)有代表性的碎步點作為成圖精度檢查點，檢查點樣本在全測區(qū)分批次獨立獲取，具體精度統(tǒng)計結(jié)果如表2、3所示。

根據(jù)兩表的統(tǒng)計結(jié)果，無人機影像的DOM的平面精度是可以保證的，而高程精度在當前像控點的分布與密度前提下雖少數(shù)檢查點高程較差超限，但高程中誤差可達到國家標準要求。結(jié)果表明了低空航測系統(tǒng)在小范圍大比例測圖中的可行性。

表2 DLG高程精度統(tǒng)計表

表3 DOM平面精度統(tǒng)計表

3 結(jié) 語

低空航測作業(yè)流程的試驗表明，合格的低空影像可以滿足大比例航測成圖的要求，并取得合格測繪產(chǎn)品。根據(jù)空三加密結(jié)果，并結(jié)合DOM與DLG的檢查結(jié)果表明，像控點的布設(shè)密度除遵循行業(yè)標準外，在精度較弱地區(qū)加布高程散點可提高局部成果的高程精度；航攝比例尺的不均勻會導(dǎo)致空三加密精度的不均勻，故在高落差地區(qū)合理劃分航攝分區(qū)仍需考慮；無人機搭載相機多數(shù)為非量測型相機，影像畸變差改正對空三加密計算尤為重要，精準的相機檢?？捎行舷乱暡?。筆者認為加大無人機有效載荷可增強傳感器獲取信息能力，微型化高精度POS設(shè)備(如差分GPS)可有效減少外業(yè)像控工作量，這兩點可有效拓展無人機測繪的應(yīng)用領(lǐng)域，將成為測繪型無人機的發(fā)展方向之一。

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

[2]CH/Z3004-2010,低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S].北京：測繪出版社,2010.

[3]CH/Z3005-2010,低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[S].北京：測繪出版社,2010.

[4] 尚海興,黃文鈺.無人機低空遙感影像的自動拼接技術(shù)研究[J].西北水電, 2012,(2):14-18.

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

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

[7] 無人機航攝影像測繪地形圖的精度探討[J].測繪，2012,35(4):174-176.

[8]GB/T23236-2009，數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社,2009.

[9] 馮文灝.近景攝影測量——物體外形與運動狀態(tài)的攝影法測定[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2002.

[10] 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, 2009, 34(3):284-288.

《西北水電》征文啟事

《西北水電》雜志系中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司、西安理工大學(xué)、陜西省水力發(fā)電工程學(xué)會聯(lián)合主辦的技術(shù)性期刊。1982年創(chuàng)刊，國內(nèi)外公開發(fā)行?！段鞅彼姟冯s志為陜西省優(yōu)秀科技期刊；中國科技論文統(tǒng)計源期刊；中國學(xué)術(shù)期刊《光盤版》入編期刊；“萬方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群”、“重慶維普網(wǎng)”、《北極星》網(wǎng)站入網(wǎng)期刊；中國水利水電文摘入編期刊。

《西北水電》雜志以推動西北地區(qū)及我國水利水電科技進步為宗旨，主要刊登有關(guān)大、中型水利水電工程的科技論文，設(shè)置有水文與水資源、地質(zhì)與勘測、水工與施工、機電與金屬結(jié)構(gòu)、科研與試驗、專題研究、工程監(jiān)理、經(jīng)營與管理等欄目。本刊為雙月刊，全年6期，每期在2、4、6、8、10、12月末出版，刊號GN61-1260/TV。

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Application of Technology of Low-attitude Photographing by Drone in Hydropower Engineering

SHANG Hai-xing, XUE Shao-jun, LEI Jian-chao, HUANG Wen-yu, YANG Gang

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The development status and system components of the low-attitude aerial surveying system are described. The technical flow of the system to be utilized for the aerial surveying operation is studied as well as the production tests of the digital products of DLG, DEM and DOM are performed. Finally, the results are evaluated and analyzed in terms of precision and feasibility. The study presents that the low-attitude image can be applied for the rapid topographic mapping, in a larger scale, of the small region.Key words: low attitude image; drone; topographic surveying and mapping; DOM

2014-09-22

尚海興(1985- )，男，陜西省渭南市人，助理工程師，從事數(shù)字攝影測量和水電工程測繪工作.

P231

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.005