楊少愚 劉清田 張力祥

（自然資源部第三地形測量隊(duì),黑龍江 哈爾濱 150025）

0.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為代表的數(shù)字浪潮席卷全球，在傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域，用全站儀、RTK測量地物特征點(diǎn)，然后內(nèi)業(yè)勾勒特征點(diǎn)成圖的方法雖然可以取得不錯(cuò)的測量效果，但是由于二維的成果信息承載比較單一，已經(jīng)不能滿足當(dāng)下社會(huì)的發(fā)展需求，在自然災(zāi)害、公共安全、城市信息更新等領(lǐng)域中，迫切需要發(fā)展“空—天—地”一體化的觀測體系。應(yīng)用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)勢性信息，可以更加真實(shí)直觀地反映地物現(xiàn)狀，從而更加高效地開展防災(zāi)減災(zāi)、城市更新、智慧城市建設(shè)等工作[1]。無人機(jī)低空航測具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)[2]，特別是在地形復(fù)雜、交通困難的地區(qū)，利用無人機(jī)進(jìn)行的高分辨率影像快速獲取具有明顯優(yōu)勢，無人機(jī)低空數(shù)字航空攝影測量得到了越來越多的推廣應(yīng)用，逐漸成為傳統(tǒng)航空攝影測量的有力補(bǔ)充。本文通過應(yīng)用大疆精靈4 RTK無人機(jī)傾斜攝影方式對某廠區(qū)進(jìn)行三維立體建模并矢量化采集生成的地形圖成果數(shù)據(jù)精度進(jìn)行比對分析，檢測航測成果精度，并針對無人機(jī)在大比例尺測圖及精細(xì)化建模領(lǐng)域的適用性進(jìn)行探討。

1.無人機(jī)攝影測量技術(shù)流程

無人機(jī)攝影測量作為一門新型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在三維建模領(lǐng)域當(dāng)中，從而進(jìn)行多種多樣的工程測量。本次測試區(qū)域使用的無人機(jī)型號(hào)為大疆精靈4 RTK，通過無人機(jī)攝影測量技術(shù)對占地面積為0.33km2的某廠區(qū)進(jìn)行正射和傾斜攝影兩種方式分別采集，在飛行前第一時(shí)間進(jìn)行了空域申請并向當(dāng)?shù)嘏沙鏊鶄浒浮１敬螠y量的坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000國家坐標(biāo)系；高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)；投影方法采用高斯-克呂格投影3度帶，中央子午線為117°E,成圖比例尺為1∶1000，地形圖成果等高距間距為0.5米。主要工作流程（如圖1所示）：

1.1 參考規(guī)范

本次測試參考《GB50026-2007工程測量規(guī)范》《GBT 33176-2016國家基本比例尺地圖1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖》《CHZ3003-2010低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》《CHZ3005-2010低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》《GBT 24356-2009測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》《GBT 18316-2008數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》這些規(guī)范作為操作依據(jù)及精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 工作流程

1.2 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃主要涉及三個(gè)方面：測區(qū)范圍、航高確定和重疊度設(shè)置。

首先需要了解測區(qū)的環(huán)境、平均海拔、地形高差，根據(jù)實(shí)地具體情況擬定分區(qū)和架次并進(jìn)行航帶敷設(shè)。無人機(jī)航攝時(shí)航高與地面分辨率息息相關(guān)，通常我們根據(jù)下式計(jì)算相對航高：H=f×GSD/a（H為相對航高、f為攝影鏡頭的焦距、GSD為影像的地面分辨率、a為像元尺寸的大?。?。通過對航高的控制調(diào)整GSD的精度，從而得到不同精度的成果，并在此基礎(chǔ)上，確定理論航線相對航高。在設(shè)計(jì)航高時(shí)，必須考慮測區(qū)內(nèi)整體落差情況。當(dāng)測區(qū)地形落差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致單張照片覆蓋的范圍變小，進(jìn)而導(dǎo)致與相鄰照片的重疊率變小。在架構(gòu)航線時(shí)，必須保證航向超出測區(qū)邊界不能少于一條基線，航向重疊度一般為60%~80%，最小不低于53%；旁向重疊度15%~60%，最小不低于8%。當(dāng)影像重疊度無法滿足規(guī)范要求時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致空三失敗或出現(xiàn)影像拉花、空洞等問題。此類情況常見于高山地區(qū)或城區(qū)中高低建筑彼此交錯(cuò)的區(qū)域，此時(shí)應(yīng)通過航帶分區(qū)或適當(dāng)降低飛行高度的方式避免此類問題。在實(shí)際作業(yè)中可通過犧牲部分成果精度以提高飛行高度，減少飛行架次，從而增加作業(yè)效率；也可以犧牲部分效率以增加相 片重疊度，從而增加相片紋理及特征點(diǎn)以提高模型精度。

1.3 像控點(diǎn)布設(shè)

為了更好地獲取高精度的影像數(shù)據(jù)，布設(shè)像控地面標(biāo)志點(diǎn)是極其重要的一環(huán)。像控點(diǎn)的精度和數(shù)量直接影響到航測數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇應(yīng)當(dāng)規(guī)范、嚴(yán)格、精確。布設(shè)像控點(diǎn)之前要做好準(zhǔn)備工作，首先要查看航測區(qū)域的地質(zhì)地貌條件，通常情況下應(yīng)選取硬質(zhì)地面且空曠區(qū)域，周圍無遮擋；像控點(diǎn)顏色要與周邊地物存在一定色差（建議紅色、白色、黑色），易于后期影像判讀；像控點(diǎn)設(shè)立一般采用噴漆和標(biāo)靶兩種方式，大小需根據(jù)航高進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，保證標(biāo)志點(diǎn)內(nèi)角可在航片上清晰判讀。像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)盡量均勻布設(shè)，在1∶1000比例尺地形圖中每平方公里控制點(diǎn)的平均布設(shè)點(diǎn)數(shù)為4~5個(gè)即可，當(dāng)測區(qū)面積較小時(shí)以控制主體構(gòu)筑物為主。

1.4 內(nèi)方位元素獲取

影像的內(nèi)方位元素是描述攝影中心與相片之間相關(guān)位置（姿態(tài)）的參數(shù)，是攝影測量中的重要參數(shù)。在攝影測量中，需確定攝影機(jī)物鏡后節(jié)點(diǎn)相對于相片面的三個(gè)參數(shù)，包括相片的垂距（主距）f（即物鏡后節(jié)點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離）以及像主點(diǎn)o在相片框標(biāo)坐標(biāo)系中的x、y坐標(biāo)值，一般可通過航攝儀的鑒定獲得。無人機(jī)出廠前都會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的工藝校正，測算出相機(jī)的光學(xué)畸變差，每張相片屬性中都會(huì)記錄相機(jī)的內(nèi)方位元素參數(shù)，用于用戶后期處理。相機(jī)的出廠參數(shù)（如表1所示）：

表1 相機(jī)參數(shù)

1.5 外方位元素獲取

影像的外方位元素即通常所說的影像POS數(shù)據(jù)，由機(jī)載高精度GNSS設(shè)備和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）設(shè)備獲取。大疆精靈4RTK無人機(jī)本身使用內(nèi)嵌的千尋網(wǎng)絡(luò)（目前千尋基站已經(jīng)覆蓋了我國80%以上的地區(qū)），通過GNSS雙頻載波（L1、L2波長分別為19cm和24cm）相位的實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，使無人機(jī)的POS參數(shù)精度達(dá)到厘米級精度。機(jī)載云臺(tái)記錄相機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)（側(cè)滾角、俯仰角和偏航角），經(jīng)IMU和GNSS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，可直接獲得測圖所需的每張相片的6個(gè)外方位元素，即曝光瞬間攝影中心在所選定的地面空間坐標(biāo)系中的x、y、z坐標(biāo)值（3個(gè)線元素）和曝光瞬間像片在所選定的地面空間坐標(biāo)系中的姿態(tài)（3個(gè)角元素），就能夠?qū)崿F(xiàn)影像高精度定位與定姿。

1.6 DOM制作

通過外業(yè)航攝、像控點(diǎn)控制測量獲取的原始數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)文件參數(shù)等，結(jié)合控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用Pix4DMapper軟件進(jìn)行初步處理，迅速獲取快拼圖及質(zhì)量報(bào)告，初步檢查相片的重疊度和照片質(zhì)量，當(dāng)照片質(zhì)量不合格或重疊度不足時(shí)，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)飛。一般來說，保證測區(qū)像點(diǎn)網(wǎng)的構(gòu)網(wǎng)強(qiáng)度，第一個(gè)原則是要確保測區(qū)范圍內(nèi)每一張相片的上、中、下三個(gè)區(qū)域內(nèi)必須有連接點(diǎn)；第二個(gè)原則是要保證航線之間的連接強(qiáng)度，這意味著在每一張影像中，位于航線間重疊區(qū)域里的像點(diǎn)必須向相鄰的航線轉(zhuǎn)刺[4]。當(dāng)相片質(zhì)量滿足要求時(shí)，選取測區(qū)范圍內(nèi)合理分布的控制點(diǎn)利用空三射線編輯器進(jìn)行人工刺點(diǎn)，最終生成DSM和DOM成果數(shù)據(jù)。

2.精細(xì)化建模及模型矢量化

本次試驗(yàn)以滿足1∶1000比例尺地形圖成果要求精度為目的進(jìn)行測試。參考《CHZ3005-2010低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》進(jìn)行航攝設(shè)計(jì)，擬定將本次航行地面分辨率控制在8cm。通過公式H=GSD×F/a求得理論飛行高度291.84m。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行航飛后得到參數(shù)（如表2所示）：

表2 相關(guān)參數(shù)

為了更好地驗(yàn)證本次試驗(yàn)的適用性，對此次飛行成果分別以DOM采集及模型矢量化兩種方式進(jìn)行處理，并分別對這兩種方法的作業(yè)效率、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比對分析。

2.1 DOM矢量化采集

使用Pix4DMapper軟件將攝影測量中獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行空三計(jì)算、點(diǎn)云加密及正射影像生成等步驟。對原始影像進(jìn)行重采樣，生成DOM和DSM成果。將生成的DOM成果作為工作底圖，通過人工解譯對該區(qū)域構(gòu)筑物的特征點(diǎn)進(jìn)行矢量化采集，生成矢量數(shù)據(jù)；利用ARCGIS軟件對DSM進(jìn)行批量地面高程點(diǎn)提取、抽稀及整飾后，得到高程數(shù)據(jù)。將矢量數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后，得到1∶1000地形圖最終成果數(shù)據(jù)。（如圖2所示）：

圖2 DOM下采集的地形要素

2.2 三維模型矢量化采集

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于大比例尺地形圖的采集僅通過DOM矢量化的技術(shù)手段精度無法滿足規(guī)范要求，因?yàn)榉块芗胺课葜黧w的遮擋，很多時(shí)候通過正射影像并不能準(zhǔn)確地采集房屋的外輪廓，所以一定要有三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為參考。無人機(jī)能夠獲取全方位、多角度的立體影像信息，承載更加豐富的數(shù)據(jù)信息，且無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)也可較好地消除正射影像DOM的傾斜遮擋情況。將通過傾斜攝影測量的方式獲取的數(shù)據(jù)信息利用ContextCapture軟件進(jìn)行空三計(jì)算、模型重建，生成三維實(shí)景模型并利用CASS3D插件將三維實(shí)景模型與CASS進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在模型上進(jìn)行裸眼立體采集獲得矢量數(shù)據(jù)及高程信息，直接得到1∶1000地形圖成果數(shù)據(jù)（如圖3所示）：

圖3 三維模型下采集的地形數(shù)據(jù)

3.精度檢測

本次針對模型矢量化成果進(jìn)行精度檢測，模型矢量化精度即為傾斜攝影數(shù)據(jù)的測量值與真值之間的差值。檢測方法是利用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)配合全站儀實(shí)測檢校點(diǎn)，通過比對檢測坐標(biāo)點(diǎn)與成果坐標(biāo)點(diǎn)的差值，檢測平面及高程精度。傳統(tǒng)測量方法在測量前通過已知點(diǎn)檢測校準(zhǔn)，且技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，測量結(jié)果置信度很高，姑且視為真值。

（1）檢查點(diǎn)的平面中誤差按式（1）計(jì)算:

式中，Mx為坐標(biāo)X的中誤差；My為坐標(biāo)Y的中誤差；Ms為點(diǎn)位中誤差；Xi為坐標(biāo)X的檢測值；Yi為坐標(biāo)Y的檢測值；xi為模型點(diǎn)位X坐標(biāo)值；yi為模型點(diǎn)位Y坐標(biāo)值；n為平面檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)。

（2）檢查點(diǎn)的高程中誤差按式（2）計(jì)算:

式中，Mh為高程中誤差；Hi為RTK實(shí)測高程；hi為模型點(diǎn)位高程；n為高程檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)。

經(jīng)過檢測比較（如表3所示）后，根據(jù)中誤差計(jì)算公式求得本次測試結(jié)果平面點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±0.275m，小于成果允許中誤差±0.5m；高程點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±0.1m，小于成果允許中誤差±0.15m。由此可知：此種方法得到的成果精度可以滿足規(guī)范要求。

表3 精度檢測統(tǒng)計(jì)

4.研究和分析

通過成果與檢測數(shù)據(jù)對比，結(jié)合從數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)處理各階段的分析，總結(jié)出無人機(jī)攝影測量中幾個(gè)影響精度誤差的主要來源：

（1）像控點(diǎn)布設(shè)時(shí)尺寸過小，后期像控刺點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)較大誤差，導(dǎo)致正射影像精度不足。正常情況下，以布設(shè)“L”型像控點(diǎn)標(biāo)志為例，像控點(diǎn)標(biāo)志單邊長度應(yīng)不低于航攝影像地面分辨率的7倍長；

（2）合理布設(shè)像控點(diǎn)可以使成果精度得到明顯地提升，但當(dāng)像控點(diǎn)的數(shù)量達(dá)到一定程度后，增加平面控制對平面精度的影響不大。所以應(yīng)根據(jù)具體情況，按照合適的間距布設(shè)像控點(diǎn)[3]；

（3）飛行方向盡量選擇與測區(qū)內(nèi)房屋紋理較多的一面相垂直，可有效減少房屋拉花的現(xiàn)象；

（4）在模型構(gòu)建中，被樹木遮擋部分或房屋間距太小導(dǎo)致模型構(gòu)建不完善以及露臺(tái)或凸出的陽臺(tái)下方等傾斜影像無法獲取的地方，是軟件通過算法將周圍物體擬合而成的。直接采集會(huì)存在較大誤差，需要對其做借邊或做輔助線的操作來保證精度要求，必要時(shí)需進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測。

5.結(jié)束語

綜上所述，采用大疆精靈4 RTK無人機(jī)攝影測量技術(shù)與CASS3D結(jié)合的三維測圖方式在大部分情況下都具有可行性，與傳統(tǒng)測量相比，其優(yōu)勢在于減少外業(yè)工作量和生產(chǎn)成本，將工作重心轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)，可減少工作周期。其在效率、精度、成本和工期等方面都有著明顯的優(yōu)勢，充分體現(xiàn)了無人機(jī)傾斜攝影測繪成本低、效率高、精度準(zhǔn)、成果直觀等優(yōu)勢，為大比例尺地形圖測繪提供了一個(gè)新的解決方案[5]。但這也帶來了海量的數(shù)據(jù)，如何將信息處理的總體速度加快，不讓其過多地消耗電腦配置，發(fā)揮其更高層次的工程測量價(jià)值，也成為我們今后要克服的難題。