王芳潔,段輝麗,關(guān)翔(宜昌市測(cè)繪大隊(duì),湖北宜昌 443000)

基于復(fù)雜地形的無人機(jī)航攝系統(tǒng)1∶500 DLG生產(chǎn)

王芳潔?,段輝麗,關(guān)翔
(宜昌市測(cè)繪大隊(duì),湖北宜昌 443000)

摘 要:在山地地形中,用輕型固定翼無人機(jī)為航攝平臺(tái),采用POS數(shù)據(jù)與地面控制點(diǎn)相結(jié)合的方式進(jìn)行空三加密并生產(chǎn)1∶500數(shù)字線劃圖,利用控制網(wǎng)精度以及DLG實(shí)測(cè)精度對(duì)測(cè)繪精度進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐證明了在復(fù)雜地形條件下利用無人機(jī)生產(chǎn)大比例尺地形圖的可行性,并提出了控制精度的實(shí)用方法。

關(guān)鍵詞:無人機(jī)；POS；大比例尺DLG；精度

1　引 言

輕型無人機(jī)航攝平臺(tái)具有機(jī)動(dòng)快速、使用成本低、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),能快速獲取影像資料用于生產(chǎn)現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的4D產(chǎn)品,如今已經(jīng)成為一種獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的航攝平臺(tái)和測(cè)量手段。但由于無人機(jī)像幅小、姿態(tài)不穩(wěn)定,其搭載的非量測(cè)型相機(jī)存在較大光學(xué)畸變,在地形起伏較大,在地形復(fù)雜的測(cè)區(qū)用無人機(jī)生產(chǎn)1∶500的大比例尺DLG還處于廣泛研究驗(yàn)證階段[1～3],對(duì)于航飛及影像質(zhì)量、設(shè)備先進(jìn)性、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多個(gè)環(huán)節(jié)都提出了特殊的要求。

本次生產(chǎn)實(shí)踐是一次成功實(shí)踐,在山地地形中,利用固定翼無人機(jī)搭載高精度POS設(shè)備,采用特殊的地面控制點(diǎn)布點(diǎn)方式,獲得高精度的空三加密成果,再經(jīng)過規(guī)范化DLG采集和外業(yè)調(diào)繪,最終完成約10 km2的1∶500 DLG生產(chǎn),經(jīng)過控制網(wǎng)精度以及實(shí)測(cè)精度檢驗(yàn),其理論精度與實(shí)際精度均滿足1∶500山地地形圖精度要求。

2　前期準(zhǔn)備工作

2．1攝區(qū)概況

攝區(qū)為宜昌市秭歸縣鄭家?guī)X村,面積共約10 km2;該地區(qū)位于湖北西部西陵峽畔,平均海拔約為400 m,最低海拔約280 m,最高約520 m,居民區(qū)集中在海拔350 m～450 m之間,其地勢(shì)起伏大、植被茂盛,是川鄂地區(qū)典型的山地地形。

2．2前期設(shè)計(jì)

(1)無人機(jī)飛行平臺(tái):采用彈射式固定翼無人機(jī)平臺(tái),機(jī)身尺寸為1080 mm×2000 mm×380 mm(機(jī)長(zhǎng)、翼展和機(jī)高),最大起飛重量9 kg,任務(wù)荷載2 kg ～3 kg,普通環(huán)境中發(fā)動(dòng)機(jī)功率為2 000 w,飛行高度可達(dá)5 000 m,巡航速度110 km/ h,抗風(fēng)6級(jí),續(xù)航時(shí)間3 h～4 h。其飛行控系統(tǒng)由自駕儀、GPS定位裝置、姿態(tài)陀螺、無線電操控系統(tǒng)等組成,導(dǎo)航精度米級(jí)。

(2)相機(jī)參數(shù):無人機(jī)搭載的相機(jī)類型為Nikon D600,像素大小為5．972 μm,CCD大小為35．926 mm× 23．982 mm。為保證準(zhǔn)確度,相機(jī)畸變校正必須在專門的檢校場(chǎng)中進(jìn)行,并且要在航攝前重新檢校以獲得最新的數(shù)據(jù),檢校參數(shù)如表1,其坐標(biāo)原點(diǎn)在影像中心。

相機(jī)檢校參數(shù) 表1

(3)無人機(jī)飛行參數(shù):根據(jù)1∶500地形圖生產(chǎn)的精度要求,獲取影像的地面分辨率需優(yōu)于10 cm,將飛行航高設(shè)置為300 m。由于攝區(qū)內(nèi)高差跨度較大,按照大飛機(jī)航空攝影測(cè)量外業(yè)要求應(yīng)進(jìn)行航攝分區(qū),但該區(qū)域按高程分區(qū)會(huì)造成多個(gè)狹長(zhǎng)航帶,不利于后期數(shù)據(jù)處理,并且考慮到房屋居民地集中在海拔400 m左右,位于航攝基準(zhǔn)面附近,在不損失地物精度且顧忌地面分辨率的前提下未進(jìn)行分區(qū)處理。結(jié)合實(shí)際地形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)飛行參數(shù),如表2所示。

飛行參數(shù)表 表2

(4)航線設(shè)計(jì):攝區(qū)呈狹長(zhǎng)南北走向,飛行方向沿?cái)z區(qū)走向南北飛行,如圖1所示。

圖1　航線結(jié)合圖

2．3影像獲取與質(zhì)量保證

(1)傾斜角與旋偏角控制:無人機(jī)穩(wěn)定性較差,為防止氣流造成的旋偏角俯仰角較大,本次飛行將航向重疊度與旁向重疊度分別設(shè)置為80%與50%,確保不會(huì)出現(xiàn)漏洞。

(2)航線彎曲度:每條航線設(shè)有預(yù)備線,保證無人機(jī)以平穩(wěn)的姿態(tài)進(jìn)入航線。飛行過程中POS導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示航跡偏差,飛控系統(tǒng)依據(jù)偏差值實(shí)時(shí)調(diào)整航線,漂移過大的航線及時(shí)補(bǔ)飛。

(3)航高保持:航攝過程中無人機(jī)通過GPS實(shí)時(shí)測(cè)定高程,自動(dòng)按照基準(zhǔn)值保持航高,保證航高變化不超過±10 m。

(4)影像質(zhì)量控制:根據(jù)航空攝影國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),本次飛行選擇的攝影時(shí)間為14:00～16:20,且天氣晴朗少云,能見度大于6 km,云覆蓋率小于10%,風(fēng)速小于5 m/ s,并保持氣象條件在航攝期間基本一致。

(5)飛前相機(jī)檢查:起飛前要對(duì)相機(jī)做常規(guī)檢查,設(shè)置快門速度、ISO等參數(shù),光學(xué)鏡頭表面清潔,以獲取影像清晰、色彩飽滿的航空像片。

(6)航片質(zhì)量檢查:航攝結(jié)束后,使用航片檢查軟件檢查影像是重疊度以及云霧、煙遮擋等。保證影像清晰,無漏飛情況,每張像片上無云影及煙霧,影像色調(diào)一致、色彩分明。

3　空三加密及精度驗(yàn)證

3．1空中三角測(cè)量

采用專業(yè)的Pixelgrid空三加密模塊及PATB程序,采用嚴(yán)密的光束法平差方式對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行空三加密,恢復(fù)影像的外方位元素。

(1)影像畸變糾正與內(nèi)定向

利用前期對(duì)相機(jī)檢校獲得的檢校參數(shù)對(duì)原始影像進(jìn)行畸變糾正。校正后設(shè)置參數(shù)、建立金字塔影像工程,進(jìn)行影像自動(dòng)內(nèi)定向及大氣折光和地球曲率改正(內(nèi)定向限差為0．01 mm)。

(2)相對(duì)定向

設(shè)置參數(shù),以POS數(shù)據(jù)為初始值,全自動(dòng)匹配特征點(diǎn)、匹配成功后自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)(需要根據(jù)提示改正相對(duì)定向和模型連接錯(cuò)誤),轉(zhuǎn)點(diǎn)成功后設(shè)置參數(shù)進(jìn)行自由網(wǎng)平差。據(jù)平差計(jì)算結(jié)果和點(diǎn)位密集程度刪除粗差點(diǎn)和誤差大的點(diǎn),首次刪點(diǎn)限差可設(shè)置為3個(gè)～4個(gè)像素。

首次刪點(diǎn)后進(jìn)行第二次自由網(wǎng)平差,并將點(diǎn)位精度權(quán)重設(shè)大,然后查看點(diǎn)位分布情況和同名點(diǎn)殘差,進(jìn)行手動(dòng)刪除和調(diào)整,地物稀少和植被覆蓋區(qū)由于匹配困難缺少同名點(diǎn)需要手動(dòng)選取同名像點(diǎn),保證每張影像在航帶內(nèi)有5個(gè)以上、航帶間有3個(gè)以上均勻分布的同名點(diǎn),每張影像中手動(dòng)加點(diǎn)不需要很多,但要盡量精確并且合理分布。

繼續(xù)進(jìn)行平差計(jì)算,必要時(shí)仍需要手動(dòng)調(diào)整,自由網(wǎng)平差和點(diǎn)位調(diào)整交互進(jìn)行,不斷調(diào)整精度權(quán)重,直到點(diǎn)位最大改變量收斂于0．005以內(nèi),除了極少數(shù)手動(dòng)增加的同名點(diǎn)精度略低,其他同名像點(diǎn)殘差在1個(gè)像素以內(nèi),并且有足夠的精度高且分布均勻的同名像點(diǎn),相對(duì)定向完成。需要注意的是由于在匹配困難區(qū)域手動(dòng)增加的同名點(diǎn)比自動(dòng)匹配的精度低,誤差會(huì)超過一個(gè)像素,這些極少數(shù)手動(dòng)增加的同名點(diǎn)是局部地區(qū)影像連接的關(guān)鍵,且不影響成果的整體精度,刪點(diǎn)時(shí)必須保留。最終點(diǎn)位分布如圖2(綠色為航帶內(nèi)相對(duì)定向點(diǎn),紅色為航帶間連接點(diǎn))。

圖2　連接點(diǎn)分布情況

自由網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)精度與穩(wěn)定性是后續(xù)絕對(duì)定向的保證,所以相對(duì)定向的質(zhì)量控制至關(guān)重要。由于無人機(jī)拍攝姿態(tài)不如大飛機(jī)穩(wěn)定、像幅小、高差對(duì)重疊度影像較大,相對(duì)定向環(huán)節(jié)更加困難,要求更高,人機(jī)交互的工作不可避免。

(3)野外控制點(diǎn)測(cè)量

無人機(jī)航測(cè)不能按照常規(guī)方法布設(shè)像控點(diǎn),而是盡量采用平高網(wǎng)布網(wǎng),這就對(duì)像控點(diǎn)的選取提出了更高的要求,必須選擇影像6°重疊區(qū)域內(nèi)位于平面上的特征點(diǎn),比如水泥道場(chǎng)的角點(diǎn),平屋頂?shù)慕屈c(diǎn)等,明顯田塊交匯處中心點(diǎn)等,考慮到1∶500地形圖精度要求高,為保證絕對(duì)定向的精度,布點(diǎn)密度參照全野外布點(diǎn),平均5條基線布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)。用宜昌CORS(測(cè)量誤差在5 cm以內(nèi))采集特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息,在每個(gè)控制點(diǎn)附近采集一個(gè)備用控制點(diǎn),并均勻的選擇一些明顯特征點(diǎn)采集坐標(biāo)信息,作為后期檢查點(diǎn)使用。

(4)絕對(duì)定向

進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn),選擇平差參數(shù)進(jìn)行控制網(wǎng)平差計(jì)算,根據(jù)提示挑粗差、調(diào)整余差、檢查刺點(diǎn)質(zhì)量,必要時(shí)用備用控制點(diǎn)替換或進(jìn)行實(shí)地控制點(diǎn)修補(bǔ)測(cè)。逐步增大控制點(diǎn)的權(quán)重,直到平差點(diǎn)位最大改變量收斂于0．005以內(nèi),并且控制點(diǎn)殘差滿足國(guó)標(biāo)精度要求,絕對(duì)定向完成。

3．2空三成果精度驗(yàn)證

調(diào)整后最終參與控制完平差的控制點(diǎn)殘差如表2所示,控制點(diǎn)分布如圖3所示。

控制點(diǎn)殘差報(bào)告 表2

圖3　控制點(diǎn)分布情況

表2中R/ xy和R/ z分別表示控制點(diǎn)定位殘差與高程殘差,用公式計(jì)算出控制點(diǎn)中誤差,其中n為量取的控制點(diǎn)總數(shù)(即基本定向點(diǎn)),據(jù)此得到精度值是衡量絕對(duì)定向精度的主要指標(biāo)。同時(shí),用計(jì)算檢查點(diǎn)中誤差,n為參與檢查的總點(diǎn)數(shù),△為檢查點(diǎn)不符值計(jì)算出檢查點(diǎn)中誤差,是評(píng)定空三成果精度已經(jīng)檢驗(yàn)精度一致性的重要指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)《航空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中對(duì)成圖比例尺1∶1 000的山地地形精度要求[4],基本定向點(diǎn)平面位置中誤差0．2 m,高程中誤差0．26 m,檢查點(diǎn)平面位置中誤差0．35 m,高程中誤差0．4 m,滿足國(guó)標(biāo)要求。

基本定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) 表3

4　1∶100DLG采集調(diào)繪及精度驗(yàn)證

4．1數(shù)字線劃圖制作

(1)建立立體模型

在測(cè)圖平臺(tái)下導(dǎo)入空三角結(jié)果,建立立體模型,消除上下視差、構(gòu)成正確的立體像對(duì),進(jìn)行核線重采樣,使像對(duì)更加清晰。

(2)1∶1 000 DLG制作

利用MapMatrix專業(yè)立體采集模塊配合EPS地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行立體采集,實(shí)現(xiàn)采編一體的高效測(cè)圖。立測(cè)作業(yè)要求、地物取舍、圖示符號(hào)嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范[5,6]。

(3)外業(yè)調(diào)繪

按照規(guī)范要求進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪[7],外業(yè)調(diào)繪對(duì)采集的數(shù)字線劃圖進(jìn)行遮擋地物修測(cè)補(bǔ)測(cè)、房檐改正、屬性數(shù)據(jù)采集等,同時(shí)根據(jù)野外調(diào)查對(duì)DLG進(jìn)行核實(shí)檢查。

(4)DLG編輯

根據(jù)外業(yè)調(diào)繪成果對(duì)DLG進(jìn)行修改完善,修改完成后進(jìn)行圖幅接邊等。完善后的DLG成果效果截圖如圖4所示。

圖4　DLG成果圖

4．2DLG質(zhì)量檢查

DLG成果是否滿足1∶1 000地形圖的標(biāo)準(zhǔn)要求,必須經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查和精度驗(yàn)證。

(1)地圖要素完整性、邏輯一致性、屬性檢查、表征質(zhì)量和附件質(zhì)量檢查。

(2)位置精度驗(yàn)證

這項(xiàng)檢查是對(duì)DLG實(shí)際精度的檢驗(yàn),是衡量此次成果是否合格的關(guān)鍵。在該測(cè)區(qū)中在DLG上均勻的選取了23個(gè)地物點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地坐標(biāo)比對(duì),殘差值如表4所示。

DLG坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)表 表4

檢查點(diǎn)不符值及精度統(tǒng)計(jì)表 表5

該測(cè)區(qū)實(shí)驗(yàn)的平差分析結(jié)果:

(1)依據(jù)地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范[8],1∶500地形圖山地平面中誤差為圖上0．8 mm,即實(shí)地0．4 m,高程限差參照規(guī)范中高程注記點(diǎn)中誤差標(biāo)準(zhǔn)即0．5 m。參照表2可看出,實(shí)際精度可以達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。

(2)通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比,說明在復(fù)雜地形中用無人機(jī)航攝的方式生產(chǎn)1∶500 DLG是可行的,從理論精度和實(shí)際精度兩方面來看,精度滿足要求且比較均勻,高程精度也得到很好的控制,可以看出成果質(zhì)量是很可靠的。

(3)由于大比例尺地形圖對(duì)精度要求很高,而影響DLG成果精度的因素有很多方面,必須在飛行的質(zhì)量保證、空三加密,控制信息采集、立體測(cè)圖等每個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制,才能得到理想的成圖效果。

(4)在本文中POS數(shù)據(jù)只用于輔助影像匹配和控制網(wǎng)平差,由于人機(jī)的姿態(tài)不穩(wěn)定,通過POS設(shè)備得到的外方位元素很難達(dá)到地面控制點(diǎn)的精度,所以如果定位成果用于大比例尺DLG生產(chǎn),通過在地面布設(shè)高精度控制網(wǎng)的方式進(jìn)行絕對(duì)定向仍然是目前最可靠的方法。

5　結(jié) 語

大比例尺線劃圖有精確的坐標(biāo)和屬性數(shù)據(jù),便于空間分析、數(shù)據(jù)挖掘等,在當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著越來越重要的作用,但同時(shí)對(duì)于成圖效率和現(xiàn)勢(shì)性也提出了越來越高的要求,傳統(tǒng)方式的全站儀野外測(cè)圖方式必將逐步淘汰。無人機(jī)具有快速便捷、靈活機(jī)動(dòng)、成本低等特殊優(yōu)勢(shì),而室內(nèi)立體采集直觀快速,使測(cè)圖周期大大縮短,一次性生產(chǎn)面積在幾十平方千米以內(nèi)的4D產(chǎn)品非常方便,這對(duì)于市級(jí)專業(yè)測(cè)繪單位具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

經(jīng)過學(xué)者不斷研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,無人機(jī)航攝智能化程度將會(huì)越來越高,IMU/ DGPS系統(tǒng)精度的不斷提高將實(shí)現(xiàn)無人機(jī)無地面控制測(cè)圖[9,10],基于特征的影像匹配和絕對(duì)定向方法的研究[11]將進(jìn)一步提高精度,利用無人機(jī)航測(cè)方式進(jìn)行大比例尺地形圖生產(chǎn)最終將成為一種成熟的技術(shù)。

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The Production of 1∶500 DLG Using the UAV Aerial System Based on Complex Terrain

Wang Fangjie,Duan Huili,Guan Xiang
(Yichang City,Surveying and Mapping Detachment,Yichang 443000,China)

Abstract:In mountainous terrain,with the light fixed-wing UAV aerial platform,use a combination of POS data and ground control points to complete aerial triangulation and the production of 1∶500 DLG,and text verify of the surveying precision used control network precision and the actual measurement precision of DLG．Practice has proved the feasibility of producing large scale topographic map using the UAV aerial system in conditions of complex terrain,and put forward practical method of control accuracy．

Key words:UAV;POS;large-scale DLG;precision

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-86-05中圖分類號(hào):P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—04—28

作者簡(jiǎn)介:王芳潔(1986—),女,工程師,碩士,主要從事無人機(jī)航空攝影及4D產(chǎn)品生產(chǎn)、三維數(shù)字城市等基礎(chǔ)城市測(cè)量技術(shù)工作。