基于空中動力三角翼影像制圖研究

王一川　胡海友

(中國中鐵二院測繪工程設計研究院，四川成都　610083)

Topographic Mapping Analysis of the Power Delta Wing Images

WANG Yichuan　HU Haiyou

基于空中動力三角翼影像制圖研究

王一川胡海友

(中國中鐵二院測繪工程設計研究院，四川成都610083)

Topographic Mapping Analysis of the Power Delta Wing Images

WANG YichuanHU Haiyou

摘要介紹利用空中動力三角翼所獲取的影像數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)制圖的過程，用INPHO軟件進行空三加密，利用JX4-G數(shù)字攝影測量工作站進行地貌和地物的數(shù)據(jù)立體采集。統(tǒng)計結果表明，利用三角翼影像可以滿足1∶2 000地形圖的精度要求。

關鍵詞空中動力三角翼精度制圖

動力三角翼又叫動力懸掛滑翔機，有質量輕、簡單易學、安全性高等特點，現(xiàn)多用于體育愛好者當中。他比飛艇和無人機大且重，受氣流影像較小，飛行姿態(tài)穩(wěn)定，采用動力三角翼進行航攝，得到的影像數(shù)據(jù)質量較高。動力三角翼上一般可坐2～3人，由于有人為控制，不存在墜機危險，這樣可以搭載質量很好的相機(如Phase One等量測相機)，影像畸變會比無人機常使用的Cannon EOS 5D MarkII相機小很多，使后續(xù)的空三過程更加順暢，定向和制圖的精度會更高。安全系數(shù)得到保障后，空中飛行管制也會比無人機寬松許多，在人口密集的城鎮(zhèn)等地優(yōu)勢明顯高于無人機。

在實驗區(qū)內利用INPHO軟件對動力三角翼影像進行空三加密，采用JX4-G數(shù)字攝影測量工作站進行數(shù)據(jù)立體采集。通過對數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計，驗證動力三角翼影像空三是否滿足大比例尺地形圖精度要求。

1動力三角翼航拍影像的特點

1.1　影像質量

動力三角翼由于飛行高度較低，使用CCD數(shù)碼相機作為傳感器，因此影像空間分辨率很高。而且動力三角翼不存在墜機的危險，因此搭載的相機都是比較好的量測相機，如Phase One等，影像畸變小、影像邊緣變形小、拖尾現(xiàn)象也不明顯。但和UCD和DMC等相機比較，質量還是有差距。最好在空三之前先做一次去畸變處理，或在空三加密時詳細定義相機的畸變參數(shù)。

1.2　像片旋偏角大

像片旋角是指以一張像片為基準，在相鄰像片上選取兩個同名點，兩張影像所構成的夾角[2]。根據(jù)《鐵路工程攝影測量規(guī)范》的規(guī)定，像片的旋偏角不宜大于10°。由于動力三角翼重量輕，易受到氣流的影像，姿態(tài)極不穩(wěn)定。像片的旋偏角一般都會大于這個數(shù)值，為空三自動相對定向帶來難度，這也是低空飛行器普遍存在的一個弊端。

1.3　像片航向重疊和旁向重疊大

為了在DOM生產(chǎn)時選取效果最好的像對，在飛行時一般會人為加大航向和旁向重疊度。根據(jù)經(jīng)驗，航向重疊最好在65%～70%，旁向重疊最好在40%。這樣每個地物基本上可以保證在8張像片上可以同時看到。另外，動力三角翼飛行受到氣流影響，姿態(tài)不穩(wěn)定，考慮旋偏角、傾角和航線的彎曲度等影響后，也需要人為地加大航向和旁向重疊度。

1.4　像片數(shù)量多

動力三角翼搭載的是一般的數(shù)碼相機，影像像幅很小，一般為幾個厘米，一個測區(qū)就會有上百張影像。再加上動力三角翼飛行時會增大旁向和航向的重疊度，因此一個測區(qū)內的像片數(shù)就會更多。

1.5　像片基線短

動力三角翼拍攝像片基線都很短，在加上拍攝航高小，動力三角翼影像所形成像對的立體感不如大飛機所裝載的UCD和DMC相機，人工采集時高程精度不容易保證，空三加密時需要更多的高程點參與平差計算，這給外業(yè)內業(yè)都帶來了更大的工作量。

2動力三角翼影像制圖關鍵步驟質量控制

2.1　像片去畸變

動力三角翼上搭載的相機不如大飛機搭載的相機性能好，空三加密及立體采集最好使用經(jīng)過去畸變處理的影像。一般空三軟件PixelGrid、MapMatrix等都可完成。如果沒有做，則要在空三加密定義相機文件時詳細地定義相機畸變參數(shù)。

2.2　空三加密

現(xiàn)在能夠進行動力三角翼影像空三加密的軟件有很多。比較成熟的有PixelGrid、DPGrid、PixelFactory、INPHO、DATMatrix等。由于它們相對于傳統(tǒng)的空三加密軟件主要是在自動相對定向點匹配上功能有所增強，這樣大大減少了人工的工作量。各種軟件在處理流程上基本一致，如圖1所示。

動力三角翼影像空三加密要注意以下幾個問題。

(1)相對定向限差

《鐵路工程攝影測量規(guī)范》中規(guī)定相對定向點的殘余上下視差限差為0.008 mm。但數(shù)碼相機像素多在0.008 mm以下，所以這個規(guī)定顯然不適合動力三角翼相機。利用動力三角翼數(shù)碼片進行空三加密要執(zhí)行《低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》中的規(guī)定：連接點的上下視差中誤差為2/3像素，最大殘差4/3個像素，特別困難地區(qū)可放寬0.5倍。

(2)相對定向自動匹配點個數(shù)要求

由于低空飛行器的影像都有像片數(shù)量眾多等特點，要求人工做相對定向是幾乎不可能完成的。這樣相對定向自動匹配點的質量和數(shù)量對空三加密的質量就起著決定性的作用。在植被茂盛的山區(qū)或大面積落水的區(qū)域，要特別關注點的數(shù)量是否符合要求。一般來說，每個像對中匹配的自動點必須均勻分布，數(shù)量越多越好。如果發(fā)現(xiàn)自動點匹配過少的情況必須人工加點，或建立一個子區(qū)，調整參數(shù)，設置重新匹配等方法，使自動點數(shù)量達到要求。

(3)POS數(shù)據(jù)是否參與平差計算

大飛機飛的影像姿態(tài)穩(wěn)定，GPS和IMU數(shù)據(jù)精度比較高。但是動力三角翼受氣流影像較大，GPS和IMU數(shù)據(jù)精度很低。在空三自動做相對定向匹配同名點時可以使用，但在平差計算時，有可能精度太差的POS數(shù)據(jù)反而會影響平差的精度，最好不要參與平差計算?；蛘咴跍y區(qū)量完控制點后利用平差計算一次后的GPS和IMU數(shù)據(jù)再參與第二次平差計算，以求提高計算精度。

2.3　數(shù)據(jù)立體采集

與傳統(tǒng)大飛機航飛影像相比較，利用空中動力三角翼影像制圖在以下幾個方面應加強檢查：

(1)空中動力三角翼影像一般比較多，立體像對也相對較多，會影響制圖效率，作業(yè)員這時可能會忽略立體采集的范圍不應超過像片上控制點連線的要求?？罩袆恿θ且碛跋窕儽容^大，測圖時太靠近影像邊緣會對采集精度帶來影響，需要檢查人員加強檢查力度。

(2)數(shù)據(jù)采集時應更加注意像對之間的接邊檢查。由于空三加密時全自動匹配的連接點還是沒有人工點精度可靠，因此在數(shù)據(jù)立體采集前應先檢查像對間的接邊，如果超出規(guī)范要求，必須返回空三步驟修改。

3實驗區(qū)

3.1　實驗區(qū)概況

本次實驗的區(qū)域為四川省閬中市某開發(fā)區(qū)，面積大約10 km2。該地區(qū)主要是丘陵地形，高差約150～200 m，屬于Ⅱ級地形。制圖比例為1∶2 000。

3.2　數(shù)據(jù)資料

實驗區(qū)內共航飛了9個航帶，581片影像。由數(shù)碼相機Phase One拍攝，像元大小為0.006 mm，數(shù)碼影像的空間分辨率大小約為0.15 m，相對航高1 000 m左右。為了保證后期制作DOM的效果，航線內重疊達到了70%左右，旁向重疊在50%左右。外業(yè)在測區(qū)內共布設了45個控制點，113個加密檢查點。

3.3　處理軟件

處理三角翼影像的軟件有很多，選擇處理無人機影像的空三軟件主要是注意影像點自動匹配功能是否強大?，F(xiàn)在市場上比較常用的有PixelGrid、DPGrid、PixelFactory、INPHO、DATMatrix等。但是在影像匹配和處理速度上來說，INPHO軟件是業(yè)內公認的性能比較好的一款軟件。它是世界領先的用于數(shù)字攝影測量以及地表模型建立的軟件，已有30多年的發(fā)展歷史，其空三模塊在影像自動匹配上有非常明顯的優(yōu)勢。在地形地貌十分復雜的地區(qū)、植被覆蓋密集的地區(qū)或大面積水域，INPHO軟件影像點的自動匹配程度都很高，特別適合西部山區(qū)作業(yè)。連接點的自動匹配可以減少大量的人工操作，對影像數(shù)眾多的無人機影像是十分重要的，可大大提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)時間。

3.4　空三加密精度統(tǒng)計。

動力三角翼空三加密的精度依據(jù)《低空數(shù)據(jù)航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》中1∶2 000圖，丘陵地形的要求，如表1所示。

45個控制點全部參與平差計算后精度統(tǒng)計如表2所示。

基本定向點的結果完全滿足《低空數(shù)據(jù)航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》對1∶2000地形圖要求，而且平面精度要優(yōu)于高程精度。

檢查點中誤差為Mz=0.770 m，結果也可滿足《低空數(shù)據(jù)航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》中丘陵地形對加密檢查點的高程要求。

4結論

通過計算空三定向點和檢查點的平面高程中誤差可以看出，本實驗區(qū)空三精度完全可以滿足《低空數(shù)據(jù)航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》中丘陵地的定向精度要求，空中動力三角翼影像可以用于低空大比例尺地形圖繪制。和傳統(tǒng)航飛獲取影像制圖相比，本項目選擇使用動力三角翼來攝影制圖縮短了影像獲取時間，節(jié)約了成本，且質量也能得到保障。

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中圖分類號：P231

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0007-03

作者簡介：第一王一川(1981—)，女，碩士，高級工程師。

收稿日期：2015-06-04