王曉慶

（鶴壁市土地收購(gòu)儲(chǔ)備中心，河南 鶴壁458030）

1 引言

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量作為一種新型的測(cè)量方式，具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)快速獲取高分辨率影像方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可極大地減少測(cè)繪外業(yè)工作量，大幅度提高工作效率[1]。當(dāng)前，通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)可以輕松獲得小于等于1∶1000比例尺的數(shù)字化地圖成果。如果采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)后處理方法，獲得的成果精度甚至更高[2]。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，數(shù)字化成果的平面精度較易達(dá)到規(guī)范要求，而高程數(shù)據(jù)的精度則不易達(dá)到[3]。但在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字化成果的高程數(shù)據(jù)往往需要達(dá)到較高精度，這就對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的高程數(shù)據(jù)處理提出了要求[4]。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在地物與植被表面生成大量雜波數(shù)據(jù)，批量提取時(shí)會(huì)得到一部分非地面高程數(shù)據(jù)。同時(shí)，部分區(qū)域關(guān)鍵特征點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)會(huì)有缺失，需要在作業(yè)過(guò)程中對(duì)高程數(shù)據(jù)區(qū)別提取。不同的提取方法對(duì)高程數(shù)據(jù)精度及效率的影響不同。本文介紹了三種不同的高程數(shù)據(jù)提取方法，對(duì)其技術(shù)流程進(jìn)行了研究，并對(duì)其作業(yè)效率、獲得的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了不同高程數(shù)據(jù)提取方法的適用范圍。

2 高程數(shù)據(jù)的提取方法

當(dāng)前，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量獲取的數(shù)字化成果主要有點(diǎn)云、三維模型、數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型等[5]。在上述數(shù)字化成果的基礎(chǔ)上，提取高程數(shù)據(jù)的方法主要有人工提取法、點(diǎn)云分類提取法和地面模型提取法。

2.1 人工提取法

目前，人工提取法主要有兩種提取方式：

（1）利用數(shù)字表面模型（DSM）提取高程數(shù)據(jù)。數(shù)字表面模型是指包含植被、建筑、地面地形形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)。首先，在正射影像圖上判讀地面點(diǎn)，并按照一定密度提取相關(guān)地面特征點(diǎn)。其次，利用數(shù)字表面模型的高程信息提取地面點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，操作軟件為Global Mapper。

（2）利用三維模型提取高程數(shù)據(jù)。三維模型是計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)實(shí)地地物、地形、植被的模擬，既包含地物、地形的高程信息，又包含其紋理色彩，可一次性提取點(diǎn)位的平面與高程數(shù)據(jù)。利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)生成三維模型后，在三維模型上直接提取高程點(diǎn)，操作軟件為山維EPS。

人工提取法與傳統(tǒng)測(cè)繪手段類似，即在主要地形特征點(diǎn)處，按照適當(dāng)?shù)拈g距提取地面特征點(diǎn)及其高程，生成高程數(shù)據(jù)成果，其技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 人工提取法提取高程數(shù)據(jù)流程

2.2 點(diǎn)云分類提取法

在相同坐標(biāo)參考系下，通過(guò)獲取目標(biāo)物體表面采樣點(diǎn)的空間位置信息和表面特征屬性信息，得到海量點(diǎn)的集合，點(diǎn)云包含點(diǎn)的空間位置信息和RGB 顏色信息，能夠最大程度地還原被測(cè)目標(biāo)物的原始形態(tài)[6]。

點(diǎn)云分類提取法主要是通過(guò)軟件自動(dòng)篩選，將無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量生成的未分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照地物類型進(jìn)行分類，批量提取地面高程數(shù)據(jù)。根據(jù)分類后形成的地面點(diǎn)、建筑物、植物、噪聲點(diǎn)等信息，提取所需的高程數(shù)據(jù)。此法有多種軟件可用，如Photo Scan、Pix4D Mapper、INPHO。數(shù)據(jù)處理軟件在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中直接進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成、編輯與分類，也可通過(guò)Global Mapper、Point Cloud Tools、Terra Solid 等第三方軟件，對(duì)未分類的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。根據(jù)分類結(jié)果，提取高程數(shù)據(jù)，技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 點(diǎn)云分類提取法提取高程數(shù)據(jù)流程

2.3 地面模型提取法

地面模型提取法主要有兩種方式：

（1）點(diǎn)云逆向模型法，用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分類，再利用分類后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取地面格網(wǎng)模型。生成地面模型后，用格網(wǎng)編輯功能對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行平滑、局部替換、拉伸等編輯處理，形成近似于DEM 的地面模型，操作軟件有3DReshaper、Geo Magic 等。

（2）直接對(duì)生成的OSGB 三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，剔除非地面模型，提取地面模型，操作軟件有Geo Magic、DP modeler 等。

通過(guò)這兩種方式提取的地面模型檢查合格后，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形成高程數(shù)據(jù)成果，技術(shù)流程如圖3 所示。

3 實(shí)例分析

選擇某580m×370m 的近梯形區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，利用上述三種方法提取高程數(shù)據(jù)，對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析和生產(chǎn)效率對(duì)比。在飛行區(qū)域共布設(shè)6 個(gè)像控點(diǎn)，平均間距為280m；檢查點(diǎn)是33 個(gè)，平均間距為60m。無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用大疆精靈4Pro，相機(jī)型號(hào)為FC6310，圖像像素為5472×3648，像素大小為2.4μm，焦距是8.8mm，飛行控制軟件為PIX4D CAPTURE，飛行高度為130m，地面分辨率為3.6cm。數(shù)據(jù)處理軟件采用Pix4d Mapper，生成的初級(jí)成果主要為OSGB 格式三維模型、數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型、LAS 格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

圖3 地面模型提取法提取高程數(shù)據(jù)流程

3.1 效率分析

3.1.1 人工提取法作業(yè)

利用人工提取法提取高程點(diǎn)，有效高程提取時(shí)間約4h。其最大優(yōu)勢(shì)為基本適用于各種地形；弊端在于效率較低，在植被覆蓋多及建筑物密集的地方，無(wú)法提取到足夠的高程數(shù)據(jù)，需要對(duì)高程缺失區(qū)域進(jìn)行高程內(nèi)插數(shù)據(jù)處理，內(nèi)插數(shù)據(jù)工作量較大。

3.1.2 點(diǎn)云分類提取法作業(yè)

利用軟件對(duì)點(diǎn)云自動(dòng)分類用時(shí)約5 min，但是分類結(jié)果不理想，有較多植被和建筑物仍被認(rèn)為是地面點(diǎn)，同時(shí)雜波數(shù)據(jù)較多。分析后發(fā)現(xiàn)：在建筑物密集、植被覆蓋度高、地形起伏大的地區(qū)，分類結(jié)果較差；在地表植被覆蓋度低的區(qū)域，分類結(jié)果尚可。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分類，分類結(jié)果較為理想，但是效率低。在植被覆蓋度較高、建筑物密集的區(qū)域由于有效高程點(diǎn)的大量缺失，在人工分類時(shí)仍需進(jìn)行高程數(shù)據(jù)內(nèi)插，作業(yè)流程較為繁瑣，用時(shí)約2.5h。

3.1.3 地面模型提取法作業(yè)

利用軟件從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取地面三維模型，用時(shí)約3 min。提取時(shí)已對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲過(guò)濾，生成的地面三維模型數(shù)據(jù)與真實(shí)地面情況近似度較高。在因樹(shù)木覆蓋等未能準(zhǔn)確提取地面模型的區(qū)域，可以進(jìn)行地面模型修飾，以得到理想的地面模型。實(shí)驗(yàn)區(qū)域利用地面模型提取法提取高程數(shù)據(jù)用時(shí)約1h。在丘陵、山地等高差較大區(qū)域，該方法可以較快提取地面模型，模型修改過(guò)程也較為輕松。

三種作業(yè)方法的效率及適用區(qū)域統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 三種方法生產(chǎn)效率及適用區(qū)域統(tǒng)計(jì)

3.2 提取的高程精度分析

利用RTK 作業(yè)模式，野外實(shí)地采集關(guān)鍵地形特征點(diǎn)，進(jìn)行高程精度驗(yàn)證，野外實(shí)地共采集主要特征點(diǎn)78 個(gè)。高程精度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 特征地物點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表2 可以看出，人工提取法和點(diǎn)云分類提取法提取到的高程數(shù)據(jù)精度較高。因地面模型的連續(xù)性等問(wèn)題，地面模型提取法提取的部分?jǐn)?shù)據(jù)可能會(huì)偏離地表形狀，在植被覆蓋度高、坑塘水面等區(qū)域會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)云失真情況，高程提取精度相對(duì)較差[7]。但是三種作業(yè)模式提取的高程數(shù)據(jù)精度均能滿足小于等于1∶1000比例尺數(shù)字化測(cè)圖的精度要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三種高程數(shù)據(jù)提取方法的作業(yè)流程、獲得的數(shù)據(jù)精度等進(jìn)行分析，可以得出結(jié)論：（1）人工提取法適用區(qū)域較廣，提取的高程精度也較高，但工作量大，效率低。（2）點(diǎn)云分類提取法適合地形起伏較緩、植物覆蓋稀疏等區(qū)域，獲取的高程數(shù)據(jù)精度與人工提取法得到的高程數(shù)據(jù)精度相當(dāng)，作業(yè)效率尚可。（3）地面模型提取法適合丘陵、山地等高差較大區(qū)域，作業(yè)效率高，但高程數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低。

在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)成圖過(guò)程中，可綜合考慮地形地貌、數(shù)據(jù)精度、生產(chǎn)效率等因素，因地制宜，選擇合適的提取方法，科學(xué)合理地開(kāi)展測(cè)繪任務(wù)，以獲得理想的高程數(shù)據(jù)成果。