朱巧云，喬煒，李瓊，高雅冰

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

無(wú)人機(jī)在東湖綠道二期應(yīng)急測(cè)繪保障中關(guān)鍵技術(shù)研究

朱巧云*，喬煒，李瓊，高雅冰

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

選擇典型測(cè)區(qū)使用飛馬F200無(wú)人機(jī)掛載SONY RX1RII黑卡相機(jī)進(jìn)行大比例尺航空攝影，制定從無(wú)人機(jī)航攝、空三加密優(yōu)化、無(wú)人機(jī)大比例尺立體測(cè)圖精度分析、成果資料整理等一系列大比例尺無(wú)人機(jī)影像及航測(cè)成圖的技術(shù)解決方案。研究了采用像素工廠對(duì)無(wú)人機(jī)遙感影像進(jìn)行空三優(yōu)化技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)快速圓滿地完成了東湖綠道二期規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)急測(cè)繪保障任務(wù)。

無(wú)人機(jī)；像素工廠；空三優(yōu)化；應(yīng)急測(cè)繪

1 引 言

東湖是中國(guó)最大的城中湖，武漢用綠道的形式把這一城市最大、最美的公共空間還之與民。東湖綠道一期已成功建成開(kāi)放。為了突出顯示城市名片功能，樹(shù)立大東湖水系概念，打造東湖綠道二期，我院承擔(dān)了東湖綠道二期工程范圍內(nèi)正射影像生產(chǎn)及局部重點(diǎn)區(qū)域1∶500地形圖更新緊急測(cè)量任務(wù)。

東湖綠道二期比一期長(zhǎng)一倍多，為了滿足綜合設(shè)計(jì)需求，本次測(cè)量范圍不是普通帶狀，而是將整個(gè)東湖風(fēng)景區(qū)納入其中，測(cè)量的地形范圍達(dá) 27.17 km2，加之測(cè)區(qū)位于嚴(yán)西湖、嚴(yán)東湖及森林公園等區(qū)域，湖岸曲折，港汊交錯(cuò)，湖泊、島渚星羅棋布，地形復(fù)雜，人跡罕至，施測(cè)條件相當(dāng)差。由于時(shí)間緊迫，任務(wù)繁重，我院采用最新飛馬F200無(wú)人機(jī)掛載SONY RX1RII黑卡相機(jī)進(jìn)行大比例尺航空攝影，圖1為該范圍內(nèi)單幅無(wú)人機(jī)航空攝影影像圖。從圖面上看，影像質(zhì)量良好，影像清晰，紋理清楚，影像的亮度、反差適中，現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，能夠滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)要求。

圖1 單幅無(wú)人機(jī)航空攝影圖

2 像素工程無(wú)人機(jī)影像空三處理原理

像素工廠是一套用于大型生產(chǎn)的遙感影像處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有很多個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算結(jié)點(diǎn)，以海量數(shù)據(jù)的快速處理為突出優(yōu)勢(shì)?？梢耘刻幚頂?shù)碼影像、衛(wèi)星影像以及傳統(tǒng)光學(xué)掃描后的數(shù)字影像，經(jīng)過(guò)較少的人工干預(yù)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列自動(dòng)化處理，輸出DSM、DEM、DOM和TDOM等產(chǎn)品，而且能生成一系列中間產(chǎn)品。目前像素工廠在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功被使用于各種項(xiàng)目之中。它以高性能集群并行計(jì)算機(jī)為核心處理平臺(tái)，由若干個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，為攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)處理提供了功能強(qiáng)大的平臺(tái)[1～3]。

2.1光束法平差

無(wú)人機(jī)遙感影像獲取系統(tǒng)一般是由小面陣高分辨率數(shù)碼相機(jī)、高精度POS(GPS/IMU)定位定姿系統(tǒng)或者GPS定位輔助系統(tǒng)組成[4]。光束法平差的主要目的是確定地面點(diǎn)與影像點(diǎn)之間的連接。采用最小二乘法估算視圖參數(shù)，輸出精度與控制影像的精度、原始數(shù)據(jù)和GPS精度有關(guān)。

在像素工廠平臺(tái)上處理無(wú)人機(jī)遙感影像時(shí)，以像點(diǎn)、初始外方位元素和DEM構(gòu)建共線條件方程，實(shí)施基于物方匹配的連接點(diǎn)提取。在AOI確定點(diǎn)的分布，將所有點(diǎn)投影到對(duì)應(yīng)的所有影像上，通過(guò)相關(guān)系數(shù)匹配確定同名點(diǎn)。利用密集的連接點(diǎn)構(gòu)建自由網(wǎng)，通過(guò)反復(fù)迭代，粗差剔除，空三優(yōu)化計(jì)算，形成穩(wěn)健的自由網(wǎng)。

為了進(jìn)行空三加密和精度檢查，需要量測(cè)外業(yè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)，布設(shè)控制網(wǎng)可以按照區(qū)域網(wǎng)的形式進(jìn)行布設(shè)，使用WHCORS+RTK測(cè)量得到像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，形成像控點(diǎn)的控制網(wǎng)，為后一步的數(shù)據(jù)處理提供參照。同時(shí)，開(kāi)始立體量測(cè)控制點(diǎn)，對(duì)測(cè)圖精度進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)入地面控制點(diǎn)進(jìn)行判讀量測(cè)，如圖2所示，調(diào)整地面控制點(diǎn)GCP，更新每張影像上的控制點(diǎn)點(diǎn)位如圖3所示，與自由網(wǎng)進(jìn)行空三聯(lián)合平差，分析點(diǎn)位的殘差，使之符合成圖精度。

圖2 導(dǎo)入地面控制點(diǎn)

圖3更新每張影像上的控制點(diǎn)點(diǎn)位

2.2對(duì)參數(shù)進(jìn)行分組綁定優(yōu)化

像素工廠對(duì)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三優(yōu)化時(shí)，依據(jù)優(yōu)化參數(shù)的Sigma0值，可以分航帶、分區(qū)域?qū)?yōu)化參數(shù)進(jìn)行分組綁定。采用最小二乘法優(yōu)化，每個(gè)數(shù)據(jù)是由它的先驗(yàn)精度均衡的，值為0的精度意味著這些參數(shù)將變成一個(gè)恒量，不會(huì)被優(yōu)化。像點(diǎn)坐標(biāo)有一個(gè)指定精度，地面坐標(biāo)根據(jù)其獲取模式有一個(gè)絕對(duì)精度，取決于傳感器參數(shù)有不確定性。

對(duì)參數(shù)進(jìn)行分組綁定優(yōu)化的復(fù)雜度取決于優(yōu)化參數(shù)的數(shù)量，未知部分越多，需要的方程式越多，相應(yīng)的點(diǎn)就越多。一些參數(shù)從一張影像到另一張影像有相同的變量。解決方案是為了降低問(wèn)題的復(fù)雜性，在進(jìn)行參數(shù)分組時(shí)，需要考慮影像相互之間的關(guān)系。利用切比雪夫多項(xiàng)式優(yōu)化像片外方位元素，最高可優(yōu)化到四次多項(xiàng)式[5]。對(duì)于POS解算精度較高的數(shù)據(jù)，空三優(yōu)化處理一般只優(yōu)化一次和二次多項(xiàng)式系數(shù)[6]。一般情況下，參數(shù)分組的命令為：

#cli_generate_grp-grp1 "31|32|33" -grp4 "12|13|14|25|26|27" -geom UAV -outfile grp_file

采用分組綁定優(yōu)化，可以控制受地形因素(湖泊、較大河流)的影響，在影像區(qū)域內(nèi)生成稀疏同名點(diǎn)而造成空三解算結(jié)果的不收斂。本次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)闁|湖綠道二期規(guī)劃項(xiàng)目，范圍內(nèi)較大區(qū)域?yàn)闁|湖，水域面積較大，綁定優(yōu)化參數(shù)可以準(zhǔn)確地對(duì)空三計(jì)算過(guò)程以及誤差量測(cè)進(jìn)行約束?？杖齼?yōu)化是一個(gè)反復(fù)迭代的計(jì)算過(guò)程，有助于連接點(diǎn)的粗差探測(cè)及粗差點(diǎn)的自動(dòng)剔除；有助于生成高精度的多重疊度連接點(diǎn)；有助于困難項(xiàng)目的工程管理和控制[5]。

2.3空三優(yōu)化

對(duì)于第一次自動(dòng)匹配生成的連接點(diǎn)，首先要從SRTM的低分辨率DEM中給連接點(diǎn)賦高程值，以獲取物方坐標(biāo)的初始值。我院剛進(jìn)行的試驗(yàn)區(qū)飛行航向重疊度為82%，高航飛重疊導(dǎo)致影像自動(dòng)匹配精度高、影像數(shù)據(jù)量成倍增長(zhǎng)、立體模型有效范圍降低。本實(shí)驗(yàn)將航線內(nèi)隔張航片進(jìn)行抽稀后，航向重疊度約為64%，在飛行狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，符合航測(cè)生產(chǎn)的重疊度要求。對(duì)抽稀后的測(cè)區(qū)影像進(jìn)行空三處理，并與未抽稀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)航向重疊度對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)精度的影響[6]。

由于測(cè)量技術(shù)水平的提高，現(xiàn)在的野外像控點(diǎn)均是采取RTK獲取，可同時(shí)得到該點(diǎn)位的平面和高程信息。因此空三加密中，像控點(diǎn)全部采用平高點(diǎn)布設(shè)。由于無(wú)人機(jī)基線短、單片覆蓋范圍小，按照規(guī)范中像控點(diǎn)布設(shè)規(guī)則對(duì)同一測(cè)區(qū)進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)，無(wú)人機(jī)較DMC數(shù)碼航空影像所需的控制點(diǎn)數(shù)量為五至十倍的關(guān)系，甚至更多。若想更高效的發(fā)揮無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目分別對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)區(qū)的航向和旁向減少像控點(diǎn)的布設(shè)，并觀察空三精度的變化。最后研究出一種最合理最高效的像控點(diǎn)布設(shè)方案。

圖4 控制點(diǎn)點(diǎn)位編號(hào)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次航攝項(xiàng)目采用的飛行平臺(tái)為飛馬F200型固定翼無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要采用EPO泡沫材料構(gòu)成，其重量輕、強(qiáng)度高。固定翼無(wú)人機(jī)飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主要包括飛行控件、GPS/INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等部件，主要作用是無(wú)人機(jī)的飛行導(dǎo)航、定位和飛行自主控制。它可以采用程控、半自主或自主飛行控制模式，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)、飛行高度、飛行速度的穩(wěn)定控制，保障無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的航線平穩(wěn)飛行。F200搭載的是SONY DSC-RX1R型相機(jī)傳感器尺寸達(dá)到了 35.9 mm×24 mm，有效像素 4 200萬(wàn)，鏡頭為 35 mm定焦，150 m得分辨率達(dá)到了 2 cm。

本次數(shù)據(jù)處理軟件采用從法國(guó)空客集團(tuán)引進(jìn)的大型遙感數(shù)據(jù)批處理平臺(tái)像素工廠PF和全數(shù)字圖形工作站Mapmatrix。相機(jī)參數(shù)和航飛設(shè)計(jì)的原則：

①由于無(wú)人機(jī)相機(jī)的靈活性導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差，因此每次執(zhí)行航攝任務(wù)前都必須接受正規(guī)的相機(jī)檢校，獲取最新的相機(jī)參數(shù)。

②航攝比例尺、航飛高度、航攝影像分辨率、航攝影像姿態(tài)和航向旁向重疊度都直接關(guān)系到測(cè)量產(chǎn)品的比例尺。根據(jù)無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)規(guī)范要求，在確保其他航攝參數(shù)滿足要求的情況下，對(duì)高航向重疊度的影像進(jìn)行抽稀處理，分析總結(jié)航向重疊度不同對(duì)最終定向精度的影響。

空三優(yōu)化最終結(jié)果達(dá)到要求之后，提交成果，然后需要進(jìn)行DTM產(chǎn)品制作，創(chuàng)建立體像對(duì)，計(jì)算DSM，GSD設(shè)置為2倍的原始影像分辨率，快速生成一個(gè)粗DSM，GSD設(shè)置有 10 m，利用xv3d工具查看DSM，取得DSM有效值的范圍如圖5所示。根據(jù)需要對(duì)計(jì)算DSM結(jié)果進(jìn)行高通或低通濾波，濾除高程異常值，再次MergeDSM，GSD設(shè)置為4倍原始分辨率。

圖5 DSM有效值范圍

圖6 編輯鑲嵌線

根據(jù)需要對(duì)DTM進(jìn)行重采樣，若需要DOM產(chǎn)品，可以用20倍原始分辨率的DTM進(jìn)行正射糾正，選擇對(duì)應(yīng)的DSM、DTM輔助生產(chǎn)鑲嵌線，影像選擇1×1全分辨率影像，但保持低分鑲嵌工程的鑲嵌線，工作區(qū)中編輯全分辨率鑲嵌工程，導(dǎo)出快視圖，在Photoshop進(jìn)行調(diào)色，完成調(diào)色保存之前，在Photoshop中降位，變?yōu)?位輸出。原始無(wú)人機(jī)航空攝影圖如圖7所示，對(duì)應(yīng)區(qū)域無(wú)人機(jī)正射影像圖如圖8所示。

圖7 原始無(wú)人機(jī)航空攝影圖

圖8 無(wú)人機(jī)正射影像圖

無(wú)人機(jī)正射影像的幾何精度，可以采用影像與控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的套合檢查以及拼接線的檢查?？煲晥D的顏色均勻應(yīng)用到正射影像鑲嵌中，并應(yīng)用影像整體及局部的輻射信息，基于Wallis濾波器方法進(jìn)行勻光，影像接邊處色彩過(guò)渡自然，地物接邊合理，人工地物完整，無(wú)重影和發(fā)虛現(xiàn)象。滿足此次項(xiàng)目需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)快速圓滿完成東湖綠道二期規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)急測(cè)繪保障任務(wù)，充分展示了我院在測(cè)繪地理信息應(yīng)急保障的信息獲取、數(shù)據(jù)處理、加工制作、快速打印等方面的技術(shù)水平，在關(guān)鍵時(shí)刻能夠?yàn)檎疀Q策、城市管理提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支撐的能力。

本項(xiàng)目研究滿足大比例尺空三精度要求的最佳外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)方案。此研究成果將為空三作業(yè)節(jié)約大量的外業(yè)點(diǎn)布設(shè)工作量。大大提高了航測(cè)生產(chǎn)效率，節(jié)約了工作成本。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用將在城市化改造、數(shù)字城市、新農(nóng)村建設(shè)、防災(zāi)救災(zāi)、土地利用與調(diào)查、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等精細(xì)地理信息獲取方面具有良好的應(yīng)用前景。

[1] BIGNONE F. Processing of Stereo Scanner：From Stereo Plotter to Pixel Factory[R]. Stuttgart，2003：141～150.

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ResearchontheKeyTechnologiesofUAVintheEmergencySurveyingandMappingofEastLakeGreenRoadPhaseⅡ

Zhu Qiaoyun，Qiao Wei，Li Qiong，Gao Yabing

(Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China)

Choosing typical area measurement using pegasus F200 unmanned aerial vehicle (uav) mount SONY RX1RII black card camera for large scale aerial photography，formulated from aerial drones，empty three encryption，three-dimensional mapping，finishing a series of large scale data obtained by the uav image and aerial mapping technology solutions.Studied of the uav remote sensing images by pixel factory three optimization technique，using aerial drones technology successfully completed the east lake green way fast phase ii planning emergency protection of surveying and mapping tasks.

UAV(unmanned aerial vehicle)；PF(pixel factory)；aerial triangulation optimization；the emergency of surveying and mapping

1672-8262(2017)05-39-04

P231

A

2017—07—11

朱巧云(1986—)，女，碩士，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事數(shù)字影像生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測(cè)優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)。