周玉秀，申忠昌，王永菊

(1．青海省基礎(chǔ)測(cè)繪院，青海 西寧 810001； 2.青海地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，青海 西寧 810001)

近年來，無人機(jī)市場(chǎng)發(fā)展繁榮，測(cè)繪市場(chǎng)體量巨大，受國(guó)家對(duì)測(cè)繪裝備現(xiàn)代化重視程度提高、4D成果數(shù)據(jù)提供量持續(xù)大幅度增長(zhǎng)影響，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)超越傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，成為主流測(cè)繪方式之一[1]。無人機(jī)作為目前獲取空間數(shù)據(jù)的重要測(cè)量手段，具有機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)便、快速響應(yīng)、成圖精度高、產(chǎn)品豐富等優(yōu)點(diǎn)[2]。Kim等[3]利用無人機(jī)技術(shù)在潮灘空間信息獲取及管理的研究中肯定了無人機(jī)測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并表示無人機(jī)低空攝影測(cè)量由于測(cè)繪目的不同，測(cè)量技術(shù)方法應(yīng)差異化；王春年等[4]對(duì)無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)獲取高精度DEM及DOM進(jìn)行研究，結(jié)果表明受機(jī)載相機(jī)、飛機(jī)航線、影像像幅小及數(shù)據(jù)處理軟件等因素影響，DEM高程精度不佳。鑒于此，本文以某高原地區(qū)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理軟件，通過航帶拼接、空三加密、生成DSM等流程,快速獲取DEM高程數(shù)據(jù)和DLG數(shù)字線劃圖，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程，提高數(shù)據(jù)成果精度，對(duì)無人機(jī)在高海拔山區(qū)的測(cè)繪應(yīng)用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省德令哈市境內(nèi)，石底泉灘西南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)95°51′22″～95°54′51″，北緯37°36′38″～37°37′46″。測(cè)區(qū)東西長(zhǎng)5 km，南北寬約1 km，海拔在3 830～3 993 m，測(cè)區(qū)內(nèi)山形陡峻，溝壑縱橫，巖石多裸露，山脊多風(fēng)化成沙礫陡坡，大部為荒山溝谷，植被極少，氣候干燥，缺氧量較嚴(yán)重，人工施測(cè)略有難度。

2 無人機(jī)航空攝影關(guān)鍵技術(shù)

本研究中，無人機(jī)數(shù)據(jù)影像用于制作1∶2 000大比例尺地形圖及相關(guān)數(shù)字產(chǎn)品，結(jié)合測(cè)區(qū)實(shí)際地形、勘察結(jié)果將對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航線規(guī)劃、分區(qū)航攝，并選擇晴朗無風(fēng)的時(shí)間段進(jìn)行航測(cè)[5-6]。本研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

2.1 航攝分區(qū)及航線設(shè)計(jì)

航攝分區(qū)應(yīng)保證航攝范圍內(nèi)獲取的影像能達(dá)到指定的地面分辨率、航向重疊度或旁向重疊度，并遵循分區(qū)界線與圖廓線保持一致；分區(qū)內(nèi)地形高差不大于1/6攝影航高；在航線和高差都符合要求時(shí)，分區(qū)的面積盡量大一些，保證能覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的原則[7]。其中攝影航高的計(jì)算公式[8]如下：

(1)

式中：H為攝影航高理論值(m)，f為鏡頭焦距(mm)，GSD為地面分辨率(m)，a為像元尺寸(um)。

本研究中無人機(jī)鏡頭焦距為24 mm，地面分辨率為0.15 m，像元尺寸為12 um，由此計(jì)算得出理論飛行航高為300 m。根據(jù)國(guó)家民航局對(duì)無人機(jī)云系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景分類及數(shù)據(jù)規(guī)范代碼表，規(guī)定航空器處于駕駛員或觀測(cè)員目視視距內(nèi)半徑500 m，相對(duì)高度低于120 m的區(qū)域內(nèi)，參考GB/T 7931—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》[9]標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合無人機(jī)設(shè)備性能限制，以及測(cè)區(qū)高差，實(shí)際飛行航高設(shè)置為120 m。

在航線規(guī)劃時(shí)，旋翼無人機(jī)可在劃定的飛行區(qū)域內(nèi)自動(dòng)規(guī)劃航線(圖2)，航線設(shè)計(jì)完成后需設(shè)置航向重疊率、旁向重疊率和航高。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[10]要求，結(jié)合無人機(jī)設(shè)備性能及測(cè)區(qū)地形，采取加大重疊率的方法，選取航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%。測(cè)量過程中飛行6個(gè)架次，每次飛行時(shí)間為30分鐘。

圖2 航線規(guī)劃圖Fig.2 Route planning map

無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)主要有地面像片，POS數(shù)據(jù)，飛行航線數(shù)據(jù)，飛行記錄文件等類型。每架次航攝作業(yè)后，均需對(duì)相片數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查并導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)，經(jīng)檢查，除個(gè)別影像外，航攝影像色彩均勻清晰，反差適中。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

像控點(diǎn)布設(shè)基于CH/Z 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》[11]，采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法，結(jié)合測(cè)區(qū)地形特點(diǎn)，平面航向基線跨度小于7條，旁向相鄰航線跨度小于5條航線，布設(shè)于光照條件良好的地方，在航向或旁向5～6張航片重疊范圍內(nèi)。像控點(diǎn)測(cè)量采用RTK進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量取三次平均值，以保證準(zhǔn)確性和精度。單次觀測(cè)均在固定解狀態(tài)下進(jìn)行，保證測(cè)量結(jié)果精度，觀測(cè)歷元數(shù)不少于20個(gè)，各次結(jié)果取均值。

2.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理

本研究采用Pix4Dmapper數(shù)據(jù)處理軟件[12]對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像進(jìn)行處理。在軟件中創(chuàng)建新項(xiàng)目，添加所有架次的航攝影像，利用軟件的“快速拼接”功能完成測(cè)區(qū)影像拼接。如圖3所示，照片導(dǎo)入后，需選擇數(shù)據(jù)輸出的基準(zhǔn)面，通過軟件可快速拼接得到完整測(cè)區(qū)影像圖，需檢查該圖是否覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，確認(rèn)覆蓋目標(biāo)區(qū)域完全后方可進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)拼接過程Fig.3 Data splicing process

完成影像拼接后，在項(xiàng)目中選擇GCP/MTP管理，導(dǎo)入像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，坐標(biāo)順序選擇X、Y、Z，依次對(duì)包含各個(gè)像控點(diǎn)的航片進(jìn)行刺點(diǎn)，每個(gè)像控點(diǎn)至少選三張清晰度較高的航片進(jìn)行刺點(diǎn)(圖4)。

圖4 像片刺點(diǎn)Fig.4 Photo prick

刺點(diǎn)完成后，如圖5所示，需利用軟件的空三射線功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以求解所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)及像片方位元素。方便后續(xù)影像數(shù)據(jù)的生成。

圖5 空三加密Fig.5 Aerial triangulation

數(shù)據(jù)處理軟件可基于處理后的數(shù)據(jù)快捷生成DSM(數(shù)字表面模型)，DSM是在DEM基礎(chǔ)上添加了除地面以外的其他地表信息高程數(shù)據(jù)，例如地表建筑物、橋梁、樹木等，測(cè)區(qū)內(nèi)包含少量的房屋?；跍y(cè)區(qū)的DSM數(shù)據(jù)利用軟件的點(diǎn)云、紋理、正射影像和指數(shù)處理功能，生成點(diǎn)dxf格式的云數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型及正射影像。在軟件中加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云編輯將房屋點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，重新生成即可得到測(cè)區(qū)DEM數(shù)據(jù)，如圖6所示。根據(jù)需要將多余的高程點(diǎn)過濾，建立DTM，并繪制等高線。對(duì)不合理的等高線進(jìn)行刪除，并導(dǎo)入野外測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行房屋、道路等地物要素的繪制，并用不同顏色進(jìn)行修飾與區(qū)分，最終得到測(cè)區(qū)DLG數(shù)字線劃圖。

3測(cè)繪成果精度分析

由表1可得,平面X方向上最大誤差為0.092 m，Y方向上最大誤差為0.090 m，根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式求得平面位置中誤差為0.032 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[15]檢查點(diǎn)平面位置中誤差允許值為±0.100 m，該結(jié)果滿足1∶2 000比例尺測(cè)圖要求。

利用DEM數(shù)據(jù)通過內(nèi)插方法獲取特征點(diǎn)的高程作為測(cè)量值，以RTK測(cè)量的地面特征點(diǎn)的高程為真值，計(jì)算高程檢查點(diǎn)的誤差值ΔH(表2)?；跈z查點(diǎn)高程信息，結(jié)合點(diǎn)位中誤差計(jì)算公式求得高程中誤差為-0.058 m，該結(jié)果夠滿足規(guī)范[15]中規(guī)定的高程中誤差：±0.200 m(山地)、±0.250 m(高山地)。

表2 高程檢查點(diǎn)誤差

測(cè)繪成果精度計(jì)算結(jié)果證明檢查點(diǎn)平面位置中誤差和高程中誤差均滿足制作1∶2 000比例尺數(shù)字線劃圖的規(guī)范要求及3D產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。

4 討論與結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際案例，以海拔3 800 m區(qū)域?yàn)闇y(cè)區(qū)，驗(yàn)證了無人機(jī)低空攝影軟件內(nèi)業(yè)處理的作業(yè)模式在高原區(qū)域大比例尺地形圖測(cè)量的可行性。研究結(jié)果表明：測(cè)繪成果平面位置中誤差為0.032 m，高程中誤差為-0.058 m，均符合規(guī)范的精度要求。DSM、DEM、DLG等3D產(chǎn)品生產(chǎn)效率有所提高，完全滿足1∶2 000大比例尺地形圖的各類要求?？蔀楦咴降販y(cè)區(qū)無人機(jī)低空攝影測(cè)量工作提供一定的理論價(jià)值和參考。相濤等[13]僅對(duì)Pix4Dmapper軟件生成數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了分析，并未進(jìn)一步的獲取大比例尺地形圖數(shù)據(jù)；董明輝[14]采用了多軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，未提及到數(shù)據(jù)處理的精度。相比而言，本研究中數(shù)據(jù)處理流程相對(duì)簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)處理時(shí)間更短。但由于測(cè)區(qū)環(huán)境不同，本次研究對(duì)不同測(cè)區(qū)不具有普適性，未來將結(jié)合不同測(cè)區(qū)環(huán)境進(jìn)行無人機(jī)低空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理普適性技術(shù)進(jìn)行研究。

無人機(jī)低空攝影測(cè)量作為目前的研究熱點(diǎn)和測(cè)量工具，廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，今后高原區(qū)域各類基于無人機(jī)測(cè)量的研究和工作也將日趨完善。無人機(jī)的技術(shù)可行性會(huì)越來越大，工作效率越來越高。