低空航測(cè)技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的實(shí)踐和應(yīng)用

莫龍

(余姚市規(guī)劃測(cè)繪設(shè)計(jì)院，浙江 余姚 315400)

1 引 言

目前運(yùn)用航測(cè)手段獲取地表影像資料的方法主要為有人飛機(jī)航拍和低空平臺(tái)航拍兩種。有人飛機(jī)航拍由于高昂的固定成本費(fèi)用、起飛條件限制以及航線空域管制較低空飛行嚴(yán)格等諸多的不利因素，在小區(qū)域范圍內(nèi)的城鄉(xiāng)規(guī)劃項(xiàng)目中基本無(wú)法使用。所以利用機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、快速高效的低空無(wú)人機(jī)航拍就成為此類業(yè)務(wù)的最佳選擇。本文結(jié)合余姚市泗門鎮(zhèn)城鄉(xiāng)規(guī)劃航測(cè)工程實(shí)例進(jìn)行探討。

2 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于余姚市泗門鎮(zhèn)，為浙江省首批小城市培育試點(diǎn)鎮(zhèn)和寧波市衛(wèi)星城市建設(shè)試點(diǎn)鎮(zhèn)，位于余姚市西北的中心，瀕臨杭州灣，是一座悠久歷史和現(xiàn)代文明交相輝映的中心城鎮(zhèn)。全鎮(zhèn)總面積 66.3 km2，轄16個(gè)行政村、4 個(gè)社區(qū)，常住人口超10 萬(wàn)人。此次作業(yè)區(qū)域內(nèi)多為農(nóng)田和村莊，植被多為榨菜，地勢(shì)平坦，地形以平原為主，交通便利，鄉(xiāng)村道路密布，路面狀況良好，來(lái)往車輛較少，利于野外作業(yè)。

2.1 項(xiàng)目工作量

本項(xiàng)目自2011年2月28日開(kāi)始，外業(yè)工作于2011年5月5日全部結(jié)束，完成工作量如下:①完成50 km2低空無(wú)人機(jī)航片加密和1∶500 地形圖測(cè)制;②完成50 km21∶500 正射影像制作，涉及正射影像圖942 幅。

2.2 主要精度及指標(biāo)要求

空三加密精度:空三加密成果滿足15 cm 的平面中誤差;正射影像圖(DOM)精度:數(shù)字正射影像為24 bit 真彩色影像，分辨率為 0.05 m，像元定位點(diǎn)在像元中心;成圖精度指標(biāo):

參照1∶500 數(shù)字線劃圖成圖精度，平面位置中誤差在平原、丘陵地區(qū)不得大于 0.15 m，即圖上0.3 mm;在山地、高山地區(qū)不得大于 0.25 m，即圖上0.5 mm。兩倍中誤差為最大限差;相鄰圖幅的接邊精度:相鄰像幅的接邊以目視直接判讀不得出現(xiàn)明顯接邊痕跡為主要原則，實(shí)現(xiàn)圖幅間零接邊誤差。

3 總體方案

(1)像片控制測(cè)量:按照布點(diǎn)方案進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)。像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)能滿足和 1∶500 地形圖測(cè)繪以及1∶500 數(shù)字正射影像圖、1∶500 數(shù)字高程模型制作的需要。利用GPS 連續(xù)運(yùn)行參考站VRS 技術(shù)及似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)，采用GPS RTK 測(cè)量方法，快速測(cè)定像控點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)成果。

(2)無(wú)人機(jī)低空攝影:根據(jù)航拍方案實(shí)施攝影作業(yè)。

(3)內(nèi)業(yè)數(shù)字化測(cè)圖、正射影像圖和數(shù)字高程模型制作:利用由張祖勛院士領(lǐng)銜研制的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)(DPGrid)進(jìn)行生產(chǎn)。該生產(chǎn)線采用改進(jìn)的影像匹配算法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)空三、自動(dòng)DEM 與正射影像生成，自動(dòng)化程度大大提高。

(4)外業(yè)調(diào)繪:采用“先內(nèi)后外”的航測(cè)方法進(jìn)行測(cè)圖，即先由內(nèi)業(yè)按影像定位測(cè)繪，利用自動(dòng)空三加密軟件自動(dòng)創(chuàng)建立體模型，根據(jù)立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，生成圖形文件，再由外業(yè)定性調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)，計(jì)算機(jī)編輯處理，最終形成數(shù)字化地形圖(DLG)。根據(jù)立體模型、結(jié)合地形圖資料，編輯并生成數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)。

(5)作業(yè)流程

圖1 作業(yè)流程圖

4 無(wú)人機(jī)低空航拍

采用低空無(wú)人機(jī)進(jìn)行了拍攝，飛行高度100 m，獲取了全作業(yè)區(qū)分辨率5 cm 左右的航片10 385 張，像幅為300 m×200 m，覆蓋面積約50 km2。

圖2 作業(yè)區(qū)低空攝影架次分布圖

(1)采用35 mm 焦距的鏡頭進(jìn)行了航拍，在拍攝前進(jìn)行了相機(jī)標(biāo)定。

(2)根據(jù)作業(yè)區(qū)范圍與地形情況進(jìn)行地面航跡規(guī)劃，飛機(jī)上天后定點(diǎn)曝光。整個(gè)航攝區(qū)被劃分為泗門南作業(yè)區(qū)與泗門北作業(yè)區(qū)。其中，泗門北作業(yè)區(qū)分為4 個(gè)架次，泗門南作業(yè)區(qū)分為3 個(gè)架次，如圖2所示。

(3)為了減小像點(diǎn)偏移，航拍在選擇較短的曝光時(shí)間(1/1 250 s)的同時(shí)，也將對(duì)地飛行時(shí)速控制在90 km 左右，以減小像點(diǎn)漂移的影響。

(4)獲取的航片圖面清晰，色調(diào)真實(shí)，層次豐富，反差適中，滿足后續(xù)空三加密、DLG 采集與DOM 制作的需求。

5 空三加密

為了能更快更好地對(duì)無(wú)人機(jī)航片進(jìn)行空三加密與正射影像圖制作，我們?cè)趦?nèi)業(yè)處理的過(guò)程中引入DPGrid 系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)版)，通過(guò)自動(dòng)匹配，快速高效地生成了大量高精度、高強(qiáng)度的模型連接點(diǎn)，通過(guò)立體刺加像控，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差獲得了加密成果。

5.1 加密流程

空三加密的流程如圖3所示。

圖3 空三加密流程圖

5.2 加密區(qū)劃分

加密區(qū)根據(jù)攝影作業(yè)架次分為4 個(gè)加密區(qū)。

5.3 加密要求

(1)內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)盡量選在本片和相鄰像片影像都清晰、明顯、易轉(zhuǎn)刺和量測(cè)的目標(biāo)點(diǎn)上。

(2)盡量保證空三加密區(qū)中每一張影像3°重疊區(qū)的上、中、下3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位上有連接點(diǎn)，如圖4所示。

(3)加密時(shí)，采用外業(yè)像片控制測(cè)量的檢查點(diǎn)進(jìn)行檢核，但不參與整體平差。

圖4 加密點(diǎn)位分布圖

5.4 相對(duì)定向精度

(1)連接點(diǎn)上下視差

以平地為參照，各加密區(qū)模型連接點(diǎn)殘余上下視差分別如表1所示。

表1 上下視差統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，模型連接點(diǎn)殘余上下視差符合規(guī)范規(guī)定的要求。

(2)模型連接較差

平面位置較差△S≤0.06×Mp×10－3;高程較差△Z≤0.04×Mp×fk/bp×10－3其中:Mp為航攝比例尺分母，fk為航攝儀焦距，bp為像片基線。式中△S，△Z 以m為單位。

由表2可知，模型連接較差符合規(guī)范規(guī)定的要求。

(3)絕對(duì)定向精度

以平地、丘陵地形為參照，絕對(duì)定向后基本定向點(diǎn)殘差、多余控制點(diǎn)不符值以及網(wǎng)間公共點(diǎn)較差分別如下所示。

①基本定向點(diǎn)殘差

各加密區(qū)基本定向點(diǎn)殘差如表3所示。

表2 模型連接較差統(tǒng)計(jì)表

表3 基本定向點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)表

②多余控制點(diǎn)不符值

各加密區(qū)多余控制點(diǎn)不符值如表4所示。

表4 多余控制點(diǎn)不符值

6 數(shù)字高程模型(DEM)制作

采用了多機(jī)網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的方式進(jìn)行密集匹配，快速高效地生成大量密集匹配點(diǎn)，然后在立體環(huán)境下進(jìn)行密集匹配點(diǎn)編輯，去除屋頂及樹等高出地面地物上的點(diǎn)，再結(jié)合地貌特征內(nèi)插生成0.5 m 間距格網(wǎng)DEM，最后再檢查DEM 點(diǎn)與每個(gè)模型的吻合情況，對(duì)DEM 點(diǎn)與模型不吻合的區(qū)域進(jìn)行了修測(cè)，使每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)都貼近地表。

7 正射影像(DOM)制作

根據(jù)解算得到的外方位元素成果，利用生成的數(shù)字高程模型(DEM)及采集的部分DLG 數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字影像數(shù)據(jù)進(jìn)行逐片逐像元投影差改正后，經(jīng)過(guò)鑲嵌、剪裁，在DPGrid 系統(tǒng)中自動(dòng)制作成正射影像圖。

(1)成圖精度指標(biāo)，

以外業(yè)實(shí)測(cè)的平面坐標(biāo)為參照，檢查泗門南作業(yè)區(qū)的DOM 平面精度，統(tǒng)計(jì)情況如表5所示。

表5 DOM 精度統(tǒng)計(jì)表

(2)相鄰圖幅接邊

作業(yè)過(guò)程為無(wú)縫作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了圖幅間零接邊誤差。

8 提交航測(cè)成果制作城鎮(zhèn)規(guī)劃圖

規(guī)劃部門利用DOM 正射影像圖和大比例尺DLG線劃圖等航測(cè)成果，以此為基礎(chǔ)資料制作城鎮(zhèn)總體規(guī)劃圖，如圖5～圖8所示。

圖5 內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖

圖6 測(cè)制DLG 線劃圖

圖7 DOM 正射影像

圖8 編制總體規(guī)劃圖

9 作業(yè)難點(diǎn)與解決方案

(1)單位面積內(nèi)模型數(shù)較多，若采用人工方式添加模型連接點(diǎn)，加密工作量較大。對(duì)此，采用了多機(jī)、多核網(wǎng)絡(luò)并行自動(dòng)匹配的方式，快速高效地生成了大量高精度、高強(qiáng)度的模型連接點(diǎn)。

(2)無(wú)人機(jī)航片普遍存在畸變較大的問(wèn)題。對(duì)此，利用大量均勻分布的高精度、高強(qiáng)度模型連接點(diǎn)進(jìn)行平差解算，提高了空三加密成果的精度(大部分片上模型連接點(diǎn)在110 個(gè)點(diǎn)以上)。

(3)若只是平面添加像控點(diǎn)，將導(dǎo)致刺加的控制點(diǎn)精度偏低。對(duì)此，采用了立體刺加像控方式進(jìn)行加點(diǎn)。

(4)局部地方控制點(diǎn)不足，采用了外業(yè)補(bǔ)測(cè)控制點(diǎn)方式。

10 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)快速獲取DOM 正射影像圖為城鄉(xiāng)規(guī)劃的前期基礎(chǔ)性工作的開(kāi)展贏得寶貴的時(shí)間，采用空三成果內(nèi)業(yè)測(cè)制大比例尺DLG 線劃圖相對(duì)常規(guī)全野外數(shù)字化測(cè)圖，工期大幅度提前，測(cè)繪成本更低。其主要優(yōu)點(diǎn)有:

(1)地形圖測(cè)制速度快、操作簡(jiǎn)單，成本低，影像分辨率高，成圖精度高，減少外業(yè)工作，節(jié)省了大量的人力、物力，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(2)正射影像圖提供了大量的信息，以直觀、翔實(shí)的影像反映了許多實(shí)地踏勘中的盲點(diǎn)。同時(shí)，利用數(shù)字正射影像圖作為規(guī)劃底圖，使規(guī)劃內(nèi)容與周邊環(huán)境的關(guān)系更加清晰，在舊區(qū)改造、歷史古建筑保護(hù)、城市重點(diǎn)區(qū)域和地區(qū)標(biāo)志性建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)中可以發(fā)揮十分重要的作用。

(3)無(wú)人機(jī)航拍可以獲取多元數(shù)據(jù)，不僅可為城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地、環(huán)境、測(cè)繪、電力、電信、煤氣等部門提供精確、直觀、信息豐富、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，豐富規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理的手段與方法，提高管理效率。同時(shí)為城市各種地理信息系統(tǒng)提供新型數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品，充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的作用，為整個(gè)城市的建設(shè)、規(guī)劃管理以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

［1］萬(wàn)幼川，劉良明，張永軍．我國(guó)攝影測(cè)量與遙感發(fā)展探討［J］．測(cè)繪通報(bào)，2007(1) : 1 ～4．

［2］張祖勛．從數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站( DPW) 到數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格( DPGrid) ［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)( 信息科學(xué)版) ，2007，32(7) : 565 ～572．

［3］孫杰，林宗堅(jiān)，崔紅霞．無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．遙感信息，2003(1) : 49 ～51．

［4］陳玲，潘伯鳴，曹黎云．低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在四川地形測(cè)繪中的應(yīng)用［J］．城市勘測(cè)，2011(5) : 75 ～77．

［5］杜全葉，陸錦忠．無(wú)人飛艇低空攝影測(cè)量系統(tǒng)及其DOM制作關(guān)鍵技術(shù)［J］．測(cè)繪通報(bào)，2010(6) : 41 ～43．

［6］凡亦文，劉全海，高文濤等．無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用［A］．第十七屆中國(guó)遙感大會(huì)摘要集，2010．