王衛(wèi)

（浙江省工程勘察院 浙江寧波 315012）

1 引言

隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展，數(shù)字城市、智慧城市已經(jīng)越來(lái)越成為人類生活中不可缺少的一部分，更加直觀的空間地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)將極大促進(jìn)人類的發(fā)展和進(jìn)步。而在空間地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)需要時(shí)空大數(shù)據(jù)的支持，而數(shù)字真正射影像作為重要的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)正在發(fā)揮著不可替代的作用。數(shù)字真正射影像相比于以往人們常用到的數(shù)字正射影像，其數(shù)據(jù)可以與其他地理信息數(shù)據(jù)復(fù)合使用?？梢詮V泛應(yīng)用于三維地理信息系統(tǒng)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、資源勘查、災(zāi)害調(diào)查等社會(huì)諸多領(lǐng)域,基于數(shù)字真正射影像的生產(chǎn)研究及應(yīng)用逐步成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究熱點(diǎn)之一[1-3]。

近年來(lái)，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，數(shù)字航空攝影技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于大比例尺正射影像圖制作[4-6]。特別是超低空無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，具有機(jī)動(dòng)靈活、分辨率高、工作效率高、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)。本文基于實(shí)際生產(chǎn)案例，利用垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)低空獲取地面真正射影像，本研究方法、流程及精度控制，旨在為該技術(shù)的大規(guī)模的應(yīng)用和推廣提供一定的經(jīng)驗(yàn)和參考依據(jù)。

2 研究技術(shù)流程

2.1 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)外主流的低空攝影測(cè)量平臺(tái)按照平臺(tái)構(gòu)型的不同主要分為固定翼無(wú)人機(jī)以及多旋翼無(wú)人機(jī)兩類。但是這兩大平臺(tái)均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，如下表所示。

研究選取的純電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，也稱為復(fù)合翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，具體參數(shù)如表2 所示。該系統(tǒng)采用垂直起降、全自主飛行方式，大大減小對(duì)場(chǎng)地、彈射架、降落傘等依賴，作業(yè)場(chǎng)地適應(yīng)廣。近年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航拍測(cè)繪、電力巡查、地質(zhì)勘查等各個(gè)行業(yè)。

表1 固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)參數(shù)

2.2 數(shù)字真正射影像

數(shù)字真正射影像(True Digital Orthophoto Map，TDOM) 是基于數(shù)字地表模型(Digital Surface Models，DSM) ，利用數(shù)字微分糾正技術(shù)，考慮了所有地面物體(包括人工的和自然的建筑物、橋梁、植被等)的高程，消除投影差，去除了影像上的像點(diǎn)高差和相片傾斜移位，并對(duì)地物造成的遮擋與陰影進(jìn)行有效地檢測(cè)與恢復(fù)，使地形與地物均被糾正到正確的平面位置，以保證圖像上任意點(diǎn)的幾何精度，確保圖像處處為垂直正射投影，從而達(dá)到一種垂直視角的觀測(cè)效果[7]。

2.3 技術(shù)流程

本研究TDOM 的生產(chǎn)過(guò)程如圖2 所示：

圖2 正射影像生產(chǎn)流程圖

3 大比例尺數(shù)字真正射影像圖的制作

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省某縣級(jí)市，研究區(qū)域內(nèi)主要地貌為平原，周邊有起伏丘陵。

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1 航攝參數(shù)設(shè)計(jì)

航攝參數(shù)主要包括攝區(qū)劃分以及航線布設(shè)。本研究根據(jù)整個(gè)攝區(qū)的地形特點(diǎn)、航攝儀的飛行要求、成圖分幅的要求等進(jìn)行攝區(qū)劃分，共分為6 個(gè)攝區(qū)。航線布設(shè)方向主要是根據(jù)分區(qū)地形的特點(diǎn)，以及攝區(qū)內(nèi)面積分布等因素，進(jìn)行航線布設(shè)，地形落差大的地區(qū)和高樓密集區(qū)可變高飛行或者增大航飛重疊度，按照東西方向來(lái)進(jìn)行飛行。

3.2.2 像片控制點(diǎn)測(cè)量

作業(yè)區(qū)像片控制測(cè)量采用網(wǎng)絡(luò)RTK 方法施測(cè)，獨(dú)立觀測(cè)兩次。像控點(diǎn)不分平面點(diǎn)和高程點(diǎn)，一律都是平高點(diǎn)。經(jīng)抽樣檢查，像控點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±1.4cm，高程中誤差為±0.8cm。

外業(yè)像控點(diǎn)在實(shí)地選擇，選擇視野開(kāi)闊、平坦并且不容易背破壞的地方，實(shí)地標(biāo)注點(diǎn)號(hào)，點(diǎn)位在像片上影像清晰并和實(shí)地位置一致。點(diǎn)位目標(biāo)選在像片清晰、明顯的地物交點(diǎn)、折角頂點(diǎn)或影像小于0.2 mm 的點(diǎn)狀地物中心，弧形地物及陰影遮蓋、影像模糊地物不作點(diǎn)位目標(biāo)選擇，并且需要保證GPS 接收機(jī)觀測(cè)條件。

3.2.3 航空攝影

為盡量避免或減少地表植被和其他覆蓋物對(duì)攝影的不利影響，確保航攝影像能夠真實(shí)地顯現(xiàn)地面細(xì)部，于8 月中下旬完成了航空攝影。航攝時(shí)，既保證了具有充足的光照度，又避免了過(guò)大的陰影。

航攝儀的選擇主要根據(jù)飛行平臺(tái)、地面分辨率和TDOM 精度等要求綜合考慮確定，采用了索尼數(shù)碼相機(jī)，航攝地面分辨率為6.6cm。航線按東西向平行于圖廓線直線飛行。主城區(qū)航向重疊率為80%，旁向重疊率為75%，航線間無(wú)相對(duì)漏洞和絕對(duì)漏洞。像片傾斜角不大于4°。航線彎曲度不大于1%。旋偏角不大于25°。在一條航線上連續(xù)達(dá)到或接近最大旋偏角的像片數(shù)不大于三片。旁向重疊方向：平行于攝區(qū)邊界線的首末航線敷設(shè)在攝區(qū)邊界線外，保證了攝區(qū)邊界實(shí)際覆蓋不少于像幅的30%。沿航線東西方向，各超出攝區(qū)邊界線一般大于設(shè)計(jì)基線長(zhǎng)兩倍的長(zhǎng)度。

3.3 空三加密

空三加密以像片控制點(diǎn)、數(shù)碼航攝資料為依據(jù)，以野外區(qū)域網(wǎng)布測(cè)的像控點(diǎn)為基本定向點(diǎn)、多余像控點(diǎn)、各等級(jí)控制點(diǎn)為檢查點(diǎn)，進(jìn)行解析空中三角測(cè)量和區(qū)域網(wǎng)平差，獲取內(nèi)業(yè)測(cè)圖所需要的方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)等控制信息。本研究為了快速完成測(cè)區(qū)影像的控制定位，采用POS 數(shù)據(jù)加少量像控輔助進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。

3.4 DSM 生產(chǎn)

TDOM 的制作主要是利用DSM 進(jìn)行數(shù)字微分糾正的。因此，DSM 精度的高低決定了TDOM 的數(shù)據(jù)質(zhì)量。高精度DSM 要求影像的航向重疊度和旁向重疊度分別達(dá)到80%和75%以上，原則上要求基高比小于0.3[8]。圖3 為測(cè)區(qū)DSM 圖。

圖3 測(cè)區(qū)部分區(qū)域DSM 圖

3.5 TDOM 生產(chǎn)

利用生成的DSM 過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正，生成數(shù)字正射影像單片。檢查像片的影像質(zhì)量，對(duì)影像模糊、錯(cuò)位、扭曲、變形、漏洞等問(wèn)題及現(xiàn)象，特別是高層、橋梁，柵欄等，查找和分析原因，并進(jìn)行了處理。在軟件中，對(duì)生成的影像進(jìn)行了色彩調(diào)整，使所有影像的色調(diào)趨于一致。將正射影像單片添加至鑲嵌工程，完成圖幅的鑲嵌成圖。檢查鑲嵌后的影像有無(wú)明顯拼接痕跡，線狀地物接邊差不超過(guò)2 個(gè)像素，發(fā)現(xiàn)接邊超限的，返回檢查DEM數(shù)據(jù)并重新修改，重新生成正射影像。最終鑲嵌后的TDOM 影像過(guò)渡自然，紋理清晰，無(wú)明顯拼接痕跡。最后按照標(biāo)準(zhǔn)文件命名規(guī)則的圖幅范圍，裁切TDOM 數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)圖幅TDOM。

最終數(shù)字正射影像圖為真彩色，比例尺為1:1000，影像地面分辨率：0.1m。每幅圖以規(guī)定的分幅向外擴(kuò)展圖上12mm 提供數(shù)據(jù)。TDOM 與相鄰影像圖接邊，接邊誤差滿足規(guī)范要求。整個(gè)圖幅內(nèi)的影像反差適中，色調(diào)均勻，紋理清楚，層次豐富，無(wú)明顯失真，灰度直方圖呈正態(tài)分布。

圖4 TDOM 正射影像圖

4 精度對(duì)比與分析

選取高程在地面且有明顯地物標(biāo)志外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)，套合到正射影像圖上，檢查外業(yè)點(diǎn)是否落在正射影像相應(yīng)的點(diǎn)位上，計(jì)算出正射影像的平面位置中誤差，結(jié)果如下表，一共選取檢查點(diǎn)數(shù)971 個(gè)，平面位置中誤差±0.163m, 檢查結(jié)果滿足規(guī)范的要求，檢查記錄如表2 所示。

傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖(DOM)中的各種建筑物均有投影差，并且隨著城市高層建筑、超高層建筑的增多，傳統(tǒng)DOM 中高大建筑物的頂面嚴(yán)重偏離其正確位置，該制圖方式嚴(yán)重影響了影像圖的準(zhǔn)確判讀。不適合用于城市空間綜合利用、精細(xì)化管理。與傳統(tǒng)的正射影像圖相比，而本研究中生產(chǎn)的真正射影像(TDOM)是將正射影像糾正為垂直視角的影像產(chǎn)品。真正射影像對(duì)隱蔽部分(如各種地物、地形、植被等的傾斜投影)采用相鄰像片修正，表現(xiàn)為地形、建筑物等要素沒(méi)有投影差、建筑物間無(wú)遮擋的正射影像圖，全面無(wú)遺漏地展現(xiàn)了地面上的物要素。

研究表明建筑物密集的區(qū)域，可以有效改善由地形陡變與遮蔽導(dǎo)致的雙重投影與糾正變形等問(wèn)題，避免了高大建筑的傾斜對(duì)其他地物的遮擋，在拼接地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑自然的過(guò)渡，且所有的地形、地貌均經(jīng)過(guò)了正射校正，因而數(shù)字真正射影像圖上不存在投影差。利用DSM 經(jīng)過(guò)遮擋區(qū)(和陰影區(qū))檢測(cè)和補(bǔ)償后生成的真正射影像，理論上可完全解決傳統(tǒng)正射影像存在的問(wèn)題，是進(jìn)行變化檢測(cè)、地物采集、三維景觀制作和數(shù)字城市建設(shè)的理想選擇，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

表2 檢查點(diǎn)與TDOM 實(shí)際點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

探討了基于垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的真正射影像制作方法，并對(duì)于研究成果進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，結(jié)果表明：

研究中采用最新的垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，相比于傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)起飛方式，該類機(jī)型采用的垂直起降、全自主飛行方式，大大減小對(duì)場(chǎng)地、彈射架、降落傘等依賴，作業(yè)場(chǎng)地適應(yīng)廣，適合各種復(fù)雜地貌下的飛行。大大減少了選擇起飛場(chǎng)地的時(shí)間，提高了作業(yè)效率。

生產(chǎn)真正射影像的方法和流程具有低成本，效率高，精度高等優(yōu)點(diǎn)，可解決傳統(tǒng)生產(chǎn)中一些的難點(diǎn)問(wèn)題。隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，其研究成果具有很好的應(yīng)用前景，并可以為同行進(jìn)行類似研究提供參考依據(jù)。相對(duì)于常規(guī)的影像正射校正的簡(jiǎn)單處理過(guò)程，真正射校正的顯著特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)運(yùn)算量十分巨大。如果要投人實(shí)際生產(chǎn)，數(shù)據(jù)處理的效率問(wèn)題就不得不作為重點(diǎn)來(lái)考慮，這也在某種程度上促進(jìn)著真正射校正方法的不斷改進(jìn)完善。另一方面，作為真正射校正的最基本數(shù)據(jù)源DSM，其獲取更是個(gè)最繁瑣、最耗時(shí)的過(guò)程。