田 超，陳 杰，李能能，郭耀煌

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一航測(cè)遙感院，陜西 西安 710054)

利用無(wú)人機(jī)免像控快速構(gòu)建高精度DSM

田 超，陳 杰，李能能，郭耀煌

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一航測(cè)遙感院，陜西 西安 710054)

數(shù)字地表模型(digital surface model，DSM)是很多測(cè)繪產(chǎn)品的一個(gè)很重要的中間產(chǎn)品，基于DSM可以進(jìn)一步編輯、處理制作DEM、DOM 、TDOM、DLG、三維模型等。另外，DSM表示的是真實(shí)地表的地面起伏情況，也可直接應(yīng)用于各行各業(yè)，如電力行業(yè)監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)對(duì)電力線(xiàn)的安全影響、軍事上導(dǎo)彈制導(dǎo)障礙物監(jiān)測(cè)、林業(yè)監(jiān)測(cè)森林生長(zhǎng)情況等。

DSM生產(chǎn)主要通過(guò)攝影測(cè)量和激光LiDAR兩種方式構(gòu)建。傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法構(gòu)建DSM，一般都是先基于航攝影像進(jìn)行外業(yè)像控測(cè)量，內(nèi)業(yè)根據(jù)像控點(diǎn)進(jìn)行空三加密測(cè)量，構(gòu)建三角網(wǎng)，最終生成DSM。

近年來(lái)，隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，GPS測(cè)量精度越來(lái)越高，但設(shè)備重量越來(lái)越輕，體積越來(lái)越小，逐步廣泛應(yīng)用到無(wú)人機(jī)上，結(jié)合GPS輔助空中三角測(cè)量技術(shù)，可有效地減少像控點(diǎn)的數(shù)量甚至完全不使用像控點(diǎn)，大大提高了無(wú)人機(jī)作業(yè)效率。本文利用拓普康天狼星無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像快速獲取，通過(guò)整合精密測(cè)時(shí)技術(shù)和載波相位差分技術(shù)(RTK)來(lái)實(shí)時(shí)獲取每一張像片拍攝的準(zhǔn)確位置，取代傳統(tǒng)的地面控制點(diǎn)，利用Agisoft Photoscan軟件，在無(wú)需地面控制點(diǎn)的情況下全自動(dòng)、快速構(gòu)建DSM成果，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該一體化解決方案的有效性。

1 天狼星Pro航空測(cè)圖系統(tǒng)

天狼星Pro是拓普康推出的一款航空測(cè)圖系統(tǒng)，其主要包括數(shù)據(jù)獲取和后處理系統(tǒng)兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)獲取采用集成高精度RTK和慣性測(cè)量單元(IMU)、搭載松下LumixGX1相機(jī)的電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；飛行控制系統(tǒng)采用MAVinci Desktop；后處理系統(tǒng)采用Agisoft Photoscan航測(cè)軟件。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天狼星Pro無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)除了操控簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、飛行安全外，還有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1) 無(wú)需像片控制測(cè)量。通過(guò)整合精密測(cè)時(shí)技術(shù)和RTK定位技術(shù)來(lái)獲取每一個(gè)攝站點(diǎn)的精確外方位元素，無(wú)需通過(guò)像片控制測(cè)量進(jìn)行反算，大大減少了外業(yè)工作量，提高了作業(yè)效率，降低了生產(chǎn)成本。

(2) 數(shù)據(jù)后處理自動(dòng)化程度高。通過(guò)固有插件有效地將飛行控制系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫整合，使得數(shù)據(jù)處理人員通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可快速生成DSM、DOM、點(diǎn)云模型等成果。

2 無(wú)控快速構(gòu)建DSM

2.1 測(cè)區(qū)概況

試驗(yàn)測(cè)區(qū)位于甘肅省慶陽(yáng)市華池縣城壕鄉(xiāng)白岔溝門(mén)村，地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)。測(cè)區(qū)呈矩形，面積約0.55 km2，高差約20 m，其中包括河流、道路、橋、民房、耕地等地物類(lèi)型。

2.2 檢測(cè)點(diǎn)布測(cè)

為了檢測(cè)天狼星Pro航空測(cè)圖系統(tǒng)無(wú)控測(cè)圖成果的平面精度和高程精度，飛行前，在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻、分散布設(shè)了10個(gè)直徑為0.5 m的圓形標(biāo)靶檢測(cè)點(diǎn)(如圖1所示)，并使用GPS靜態(tài)觀(guān)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)測(cè)。試驗(yàn)中，平面基準(zhǔn)采用CGCS2000，高程系統(tǒng)為大地高。由于航飛前有兩個(gè)布設(shè)在公路旁的靶標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)被意外破壞，最終有效的靶標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)為8個(gè)。

圖1 圓形靶標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)

2.3 航線(xiàn)設(shè)計(jì)

航線(xiàn)設(shè)計(jì)采用MAVinci Desktop軟件。該軟件以Bing在線(xiàn)地圖為基礎(chǔ)，根據(jù)輸入的測(cè)區(qū)范圍拐點(diǎn)坐標(biāo)、設(shè)計(jì)飛行重疊度等參數(shù)自動(dòng)生成航線(xiàn)，并能在三維環(huán)境下進(jìn)行顯示。航線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 航線(xiàn)規(guī)劃

如果測(cè)區(qū)范圍大于飛行器一個(gè)架次飛行能力，可自動(dòng)劃分子攝區(qū)，并保證子攝區(qū)之間的重疊度。航線(xiàn)的方向可根據(jù)地形地貌自動(dòng)調(diào)整，航線(xiàn)間還可自動(dòng)調(diào)整相對(duì)航高來(lái)適應(yīng)地面起伏，以保證飛行高度與地面高差在一定范圍內(nèi)，進(jìn)而確保飛行安全，并使獲取影像的分辨率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.4 數(shù)據(jù)獲取

在基準(zhǔn)站架設(shè)、飛機(jī)組裝、地面調(diào)試完成后，采用手拋方式起飛。飛機(jī)離手后即可切入自駕模式，自動(dòng)進(jìn)入航線(xiàn)，按預(yù)先設(shè)定的航線(xiàn)自動(dòng)獲取影像數(shù)據(jù)。在獲取影像的過(guò)程中，機(jī)載POS設(shè)備同時(shí)獲取每個(gè)攝站點(diǎn)的高精度位置和姿態(tài)信息，為后期數(shù)據(jù)處理提供精度保證。另外，在飛行過(guò)程中，工作人員可通過(guò)地面站實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)、進(jìn)度及相機(jī)工作狀態(tài)，如影像重疊度是否滿(mǎn)足要求，以便發(fā)生異常情況時(shí)及時(shí)制定相應(yīng)的處理措施。降落時(shí)，飛機(jī)在自動(dòng)駕駛輔助下由工作人員手動(dòng)控制降落，采用滑翔機(jī)腹摩擦地面的方式著陸。

此次試驗(yàn)共飛行一個(gè)架次，飛行時(shí)間約20 min，獲取影像728張，具體飛行參數(shù)見(jiàn)表2，獲取的攝站點(diǎn)位置如圖3所示。

表2 飛行參數(shù)

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 影像檢查及篩選

在外業(yè)獲取影像數(shù)據(jù)后，利用MAVinci Desktop軟件對(duì)影像進(jìn)行初步檢查和篩選，重點(diǎn)檢查影像重疊度是否滿(mǎn)足要求，有無(wú)漏洞，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取補(bǔ)飛或重飛等措施進(jìn)行處理。如圖4所示,不同顏色代表不同重疊度數(shù)，由圖可知，本次航飛獲取影像的旁向重疊度普遍在50%以上，滿(mǎn)足后處理要求。

圖3 攝站點(diǎn)結(jié)合

圖4 影像重疊度自動(dòng)檢查情況分布

軟件還可以對(duì)不需要參與后處理的多余影像(如轉(zhuǎn)彎處的影像)進(jìn)行篩選并剔除，同時(shí)自動(dòng)剔除對(duì)應(yīng)影像的POS數(shù)據(jù)。剔除后，獲取的728張影像中，可參與后處理的有效影像588張。

2.5.2 RTK數(shù)據(jù)處理

在MAVinci Desktop軟件中輸入基準(zhǔn)站的真實(shí)坐標(biāo)和天線(xiàn)高，軟件結(jié)合影像匹配，對(duì)采集的RTK數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算，處理結(jié)果及精度分布如圖5所示。由圖5可知，個(gè)別攝站點(diǎn)誤差較大，單點(diǎn)最大達(dá)到0.3 m。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，造成這種結(jié)果的原因主要有以下兩點(diǎn)：

圖5 GPS精度分布

(1) 試驗(yàn)在中午12：00—13：00之間進(jìn)行，該時(shí)段是一天中GPS信號(hào)接收較弱的時(shí)段，這是造成精度較差的主要原因。

(2) 測(cè)區(qū)位于甘肅省華池縣，地處黃土溝壑區(qū)中的溝底，環(huán)境因素對(duì)GPS信號(hào)接收也有一定的影響。最終平差處理結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可知，平差結(jié)果仍滿(mǎn)足1∶500精度要求。

表3 攝站點(diǎn)GPS平均中誤差 m

2.5.3 數(shù)據(jù)后處理

天狼星Pro航空測(cè)圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)后處理利用定制化開(kāi)發(fā)的軟件插件，將MAVinci Desktop軟件和Agisoft PhotoScan整合，提供一鍵式數(shù)據(jù)處理方案，在整個(gè)處理過(guò)程中僅需設(shè)置少量參數(shù)(如圖6所示)，其余過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。數(shù)據(jù)自動(dòng)處理完成后即可生成DSM(如圖7所示)，同時(shí)也可直接輸出DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)及空三加密成果。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

圖7 構(gòu)建的DSM

3 成果檢測(cè)

航飛前，檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值已經(jīng)使用GPS靜態(tài)觀(guān)測(cè)方法獲得。采用處理后獲得的DOM套合DSM數(shù)據(jù)，量測(cè)靶標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程值，然后將讀取的坐標(biāo)值與相應(yīng)的實(shí)地測(cè)量坐標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)，最后通過(guò)計(jì)算得出平面中誤差和高程中誤差，并進(jìn)行精度對(duì)比分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 成果精度統(tǒng)計(jì)表 m

根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1∶500 1∶1000 1∶2000 數(shù)字線(xiàn)劃圖》(CH/T 9008.1—2010),1∶500比例尺成果平面位置中誤差和高程中誤差最高限差分別為0.3和0.2 m。從精度檢測(cè)結(jié)果可以看出，成果的平面中誤差為0.061 7 m，高程中誤差為0.074 m，遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范限差要求，精度可滿(mǎn)足1∶500的大比例尺測(cè)圖要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)表明，拓普康天狼星Pro航空測(cè)圖系統(tǒng)提供了在無(wú)地面控制點(diǎn)條件下可全自動(dòng)生成DSM的一體化解決方案，且成果平面位置中誤差在2倍GSD左右，高程中誤差在3倍GSD以?xún)?nèi)，在獲取影像地面分辨率優(yōu)于5 cm時(shí)，可滿(mǎn)足1∶500測(cè)圖規(guī)范精度要求。在未降低數(shù)據(jù)精度前提下，較傳統(tǒng)技術(shù)流程，不僅免去了外業(yè)像控工作，而且內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度更高，大大縮短了作業(yè)時(shí)間，提高了作業(yè)效率，降低了項(xiàng)目成本。如果在建有CORS站的區(qū)域作業(yè)，提高基站測(cè)量效率，航攝工作將會(huì)更加便捷。另外，該系統(tǒng)自動(dòng)處理的成果類(lèi)型較為豐富，適用于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急測(cè)繪影像快速獲取、困難區(qū)域高精度影像獲取與地形測(cè)量，地形體積、坡度、坡向等計(jì)算與分析應(yīng)用(如土石方計(jì)算、淹沒(méi)分析等)等諸多領(lǐng)域，能夠有效提升測(cè)繪服務(wù)保障能力，在測(cè)繪行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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