姜 斌

(山東港通智匯信息技術(shù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

無人機(jī)測繪技術(shù)是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充，具有高靈活性、高效快速、高精準(zhǔn)度、作業(yè)成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)[1]?，F(xiàn)階段，無人機(jī)測繪技術(shù)在地形測量領(lǐng)域中得到充分應(yīng)用，并發(fā)揮出巨大的應(yīng)用價(jià)值。據(jù)此，以某地區(qū)為測繪試驗(yàn)區(qū)，以無人機(jī)航測前期準(zhǔn)備、無人機(jī)成圖流程、無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理、數(shù)字線劃圖制作為切入點(diǎn)展開分析，以期為進(jìn)一步優(yōu)化無人機(jī)測繪技術(shù)提供信息參考。

1 無人機(jī)航測前期準(zhǔn)備

1.1 航測試驗(yàn)區(qū)概述

天氣、海拔高度等是影響無人機(jī)測繪精準(zhǔn)性的重要因素，為保證無人機(jī)航測質(zhì)量，選擇晴天、無降水的平地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航測試驗(yàn)[1]。試驗(yàn)區(qū)位于某地區(qū)，測量區(qū)內(nèi)地形以房屋、公路、魚塘為主。圖1為平地測區(qū)影像圖，該區(qū)域海拔高度為3.4 m，地勢較平緩，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為12.3 ℃。

圖1 平地測區(qū)影像圖

1.2 航測系統(tǒng)選擇

結(jié)合平地測區(qū)的區(qū)域特點(diǎn)，應(yīng)用AF1000型固定翼無人機(jī)對該區(qū)域進(jìn)行航測。該型無人機(jī)的技術(shù)指標(biāo)見表1，其應(yīng)用了科力達(dá)衛(wèi)星定位布控系統(tǒng)，具有集成度高、穩(wěn)定性良好、維護(hù)成本低、多任務(wù)組合等特點(diǎn)，有利于提高航測精準(zhǔn)性和實(shí)效性[2]。

表1 AF1000型固定翼無人機(jī)技術(shù)指標(biāo)

航攝儀、航攝時(shí)間直接影響航測質(zhì)量。為了避免影像模糊，本項(xiàng)目采用SONY RX1RM2數(shù)字航攝儀，并根據(jù)平地測區(qū)天氣情況分析，選擇太陽高度角≥15°、陰影倍數(shù)≤3.7的時(shí)段進(jìn)行航測。

1.3 航線設(shè)計(jì)

根據(jù)平地測區(qū)地形情況，按照1∶1000成像標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置航線。航測圖像的分辨率設(shè)置為≤0.3m，航向重疊率為70%，飛行高度為236 m，圖像拍攝間距為200 m，測區(qū)成圖面積為2.28 km2[3]。

1.4 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)直接影響到空中三角測量的精準(zhǔn)度，是影響無人機(jī)測繪精度的關(guān)鍵因素。像控點(diǎn)布設(shè)由非全野外布點(diǎn)、全野外布點(diǎn)組成[4]。為提高航測精度，采用非野外布點(diǎn)法。在布設(shè)像控點(diǎn)過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)應(yīng)保證影像控制點(diǎn)的目標(biāo)影像清晰，具有易讀、易判斷特征；

(2)避免受陰影等因素影響像控點(diǎn)選擇過程與選擇結(jié)果；

(3)應(yīng)保證像控點(diǎn)及其周圍地物呈現(xiàn)灰度反差，提高像控點(diǎn)的可識(shí)別性[4]；

(4)避免電測干擾；

(5)選擇在田地、路邊等地點(diǎn)布設(shè)像控點(diǎn)，并用噴漆等方式進(jìn)行標(biāo)記；

(6)像控點(diǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)多次采集，并選擇均值進(jìn)行計(jì)算分析。

2 無人機(jī)成圖流程

2.1 外業(yè)控制測量方法

非野外布點(diǎn)法包括航帶網(wǎng)法與區(qū)域網(wǎng)法。

航帶網(wǎng)法的布設(shè)方案：①五點(diǎn)法，在航帶的中央上方或下方布設(shè)像控點(diǎn)，數(shù)量為1個(gè)，同時(shí)在航帶兩端布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)；②六點(diǎn)法：在航帶兩段和中間布設(shè)像控點(diǎn)，并在相鄰的航帶上布設(shè)控制點(diǎn)；③八點(diǎn)法：在每條航帶的兩端、中間部分布設(shè)2個(gè)相控點(diǎn)，并在重疊且相鄰的航帶上布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)，通過多重信息比較分析，對航帶網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[5]。

區(qū)域網(wǎng)法的布設(shè)方案：一般情況下，在區(qū)域網(wǎng)的中間設(shè)置1個(gè)高程點(diǎn)，并在區(qū)域網(wǎng)四周布設(shè)平高點(diǎn)，若航測影像重疊度過小，則在影像重疊位置相應(yīng)增加高程點(diǎn)[5]。

基于測繪區(qū)域的實(shí)際情況分析，本文選擇應(yīng)用區(qū)域網(wǎng)法的布設(shè)方案。

2.2 無人機(jī)影像預(yù)處理

2.2.1 影像畸變校正

無人機(jī)測繪系統(tǒng)中搭載的相機(jī)為非量測數(shù)碼相機(jī)，航測影像存在畸變誤差[6]，畸變類型如圖2所示。為降低畸變影響，提高影像精度，需要對影像畸變進(jìn)行校正。影像畸變校正方法包括直接法、間接法兩種。直接法是通過畸變影像像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算分析得出相應(yīng)坐標(biāo)，在影像灰度值不發(fā)生變化的情況下，對影像進(jìn)行校正。間接法是集合灰度插值法，對校正后的影像坐標(biāo)進(jìn)行反向推算，從而達(dá)到圖像畸變校正的目的[6]。

圖2 影像畸變類型

2.2.2 灰度影像濾波增強(qiáng)處理

本文采用Wallis濾波變換法對灰度影像進(jìn)行濾波增強(qiáng)處理，公式表示為：

G(x,y)=[g(x,y)-mg](csf)/(csg+sf/c)+

bmf+(1-b)mg

(1)

式中：G(x,y)為點(diǎn)(x,y)經(jīng)過濾波變換處理后的灰度值；g(x,y)為初始影像中心(x,y)的灰度值；mg為影像的灰度值均值；sg為灰度方差；mf為影像均值的目標(biāo)值；sf為影像方差的目標(biāo)值；c為影像方差的擴(kuò)展常數(shù)；b為影像的亮度系數(shù)[7]。

2.2.3 金字塔影像分級匹配策略

為提高像點(diǎn)的精準(zhǔn)度、可靠性，應(yīng)用金字塔影像分級匹配策略對影像進(jìn)行處理，處理流程為：數(shù)字影像→低通濾波→亞采樣→低分辨率影像。

通常情況下，金字塔影像分級匹配策略中，金字塔的上一層可以通過相鄰的下一層濾波與亞采樣處理形成。

2.3 空中三角測量解析

空中三角測量是無人機(jī)測繪圖像成圖的重要步驟。實(shí)際應(yīng)用中，空中三角測量解析可以通過影像提取點(diǎn)與控制點(diǎn)匹配分析，得到被航測區(qū)域的外方位元素、加密點(diǎn)坐標(biāo)等信息，直接影響數(shù)字化產(chǎn)品的精度[7]。

2.4 航測信息數(shù)字化生產(chǎn)

應(yīng)用SIFT算法對航測信息的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配分析，并應(yīng)用數(shù)字高程模型(DEM)內(nèi)插法，建立矩形格網(wǎng)數(shù)字高程模型，對影像進(jìn)行處理，改正像元的投影差，得出數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集。在完成底圖繪制后，應(yīng)用數(shù)字線劃圖(digital line graphic，DLG)對測繪信息進(jìn)行立體化測量，根據(jù)地形圖繪制規(guī)范繪制出相應(yīng)比例尺的地形圖。

3 無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理

3.1 空中三角測量信息加密處理

本文選擇GXP-AAT自動(dòng)空中三角測量系統(tǒng)，對空中三角測量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，設(shè)定像元的解算結(jié)果為像元均方根≤0.5。在加密處理過程中，需要注意的是，應(yīng)保證加密點(diǎn)及其鄰近影像點(diǎn)清晰明顯，以提高加密點(diǎn)的易讀性和易測量性。

空中三角測量信息加密處理中，應(yīng)對加密精度要求進(jìn)行分析。結(jié)合本文測繪區(qū)域收集情況分析，確定加密精度要求：相對定向精度為連接點(diǎn)上視、下視的誤差小于1/3像素。加密點(diǎn)誤差計(jì)算公式為：

M控=±M公

(2)

式中：M控表示控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差，m；M公表示公共點(diǎn)點(diǎn)位誤差，m。

以上加密處理方式針對外業(yè)布設(shè)內(nèi)容，在內(nèi)業(yè)布設(shè)方面，需要手動(dòng)添加加密檢查點(diǎn)。

3.2 正射影像處理方法對比分析

Pix4Dmappeer、Inpho是處理正射影像的有效方式，為提高本項(xiàng)目的正射影像處理質(zhì)量，對兩種處理方法進(jìn)行對比分析。

操作性方面，與Pix4Dmappeer相比，Inpho的操作環(huán)節(jié)較多，在正射影像處理過程中，應(yīng)打開各個(gè)相關(guān)模塊，并應(yīng)在初始階段設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)一鍵操作，得出處理結(jié)果。

空三加密方面，Inpho中應(yīng)用了德國INPHO公司的空三加密軟件，具有自動(dòng)、高效、自動(dòng)匹配等優(yōu)勢。但該系統(tǒng)的精度報(bào)告詳細(xì)程度低于Pix4Dmappeer。

數(shù)字地面模型(DTM)與文檔對象模型(DOM)制作方面，Inpho搭載的模塊就有良好的可調(diào)性，Pix4Dmappeer的數(shù)字地面模型制作形式為單一濾波形式，且文檔對象模型的制作形式為單一均色形式。

為保證正射影像處理的精準(zhǔn)度，選擇Pix4Dmappeer與Inpho相結(jié)合的處理方式，對正射影像進(jìn)行處理。具體處理方式為：將經(jīng)Pix4Dmappeer處理及畸變處理后的影像、相機(jī)參數(shù)、精細(xì)化后的影像數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入Inpho中進(jìn)行深度處理。

4 數(shù)字線劃畫圖制作

4.1 地形圖繪制的精度

數(shù)字線劃圖是對地理要素進(jìn)行分析、處理、呈現(xiàn)、存儲(chǔ)的矢量數(shù)據(jù)集[8]。在轉(zhuǎn)化數(shù)字線劃地形圖過程中，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)位目標(biāo)偏移誤差，需要將偏移誤差控制在±0.1mm內(nèi)；線狀偏移誤差控制在±0.2mm內(nèi)[8]。另外，在跟蹤和定位地形圖，形成數(shù)字線劃圖的過程中，會(huì)出現(xiàn)高程點(diǎn)、等高線誤差，需要保證誤差不會(huì)產(chǎn)生地理適應(yīng)性矛盾。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，確定誤差范圍，具體見表2、表3。

表2 平面位置中誤差范圍

表3 高程中誤差范圍(比例尺1∶1000)

4.2 生成數(shù)字線劃圖

數(shù)據(jù)采集過程中，嚴(yán)格按照“模型定位”“看不清不繪”等原則進(jìn)行數(shù)字線劃圖的繪制；在各項(xiàng)要素采集過程中，應(yīng)做到不變形、不錯(cuò)漏、不移位[8]。同時(shí)，生成數(shù)字線劃圖應(yīng)統(tǒng)籌考慮成片建筑區(qū)內(nèi)建筑物的數(shù)據(jù)采集順序，根據(jù)道路、水網(wǎng)等走向情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行立體化采集，以在減少成圖工作量的基礎(chǔ)上，提高成圖質(zhì)量。為了避免人工采集數(shù)據(jù)造成的誤差，本項(xiàng)目應(yīng)用MapMatrix軟件進(jìn)行核線采樣，提高了成圖實(shí)效。生成的數(shù)字線劃圖如圖3所示。

圖3 航測區(qū)數(shù)字線劃圖

在得到數(shù)字線劃圖后，技術(shù)人員可以應(yīng)用Feature One軟件對航測影像進(jìn)行線性化處理，并根據(jù)影像分析房屋等地物元素的具體材質(zhì)，以根據(jù)不同材質(zhì)進(jìn)行層碼設(shè)計(jì)，從而滿足地形圖修補(bǔ)與調(diào)整等需求。

5 結(jié)束語

無人機(jī)測繪技術(shù)有效提高了地形圖測量的真實(shí)性、實(shí)效性，對地形圖測量發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以某地區(qū)為無人機(jī)航測對象，根據(jù)其平地測區(qū)情況分析，確定了航測系統(tǒng)、航線和像控點(diǎn)等。為提高測繪結(jié)果精度，應(yīng)用可視模型對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，最終獲取試驗(yàn)區(qū)數(shù)字線劃圖。

現(xiàn)階段，我國無人機(jī)測繪技術(shù)在地形測量方面得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為測繪領(lǐng)域的先進(jìn)測量手段之一。但整體而言，我國無人機(jī)測繪技術(shù)仍存在一定問題，如無人機(jī)航測影像的清晰度普遍較低等。除此之外，無人機(jī)航測過程中，需要應(yīng)用可視模型對影像和測量信息進(jìn)行處理和分析。因此，未來實(shí)踐發(fā)展中，需要相關(guān)研究人員進(jìn)一步完善無人機(jī)測繪技術(shù)，以推進(jìn)我國地形測量工程高質(zhì)量發(fā)展。