城市小區(qū)域快速生產(chǎn)高精度DOM的探討

聶敏莉

摘 要：該文以西安市航天城某區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，旨在通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)及地面三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行城市小區(qū)域快速生產(chǎn)高精度DOM進(jìn)行探討?；跓o(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理獲取高精度平面位置的同時(shí)利用三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供的大量外業(yè)相控點(diǎn)進(jìn)行空三測(cè)量，再結(jié)合地面三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正空三生產(chǎn)出的DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高高程精度。在一定程度上解決外業(yè)布設(shè)相控點(diǎn)的難度大，安全性低、有可能返工以及無(wú)人機(jī)高程精度不足的問(wèn)題，為小區(qū)域范快速生產(chǎn)高精度DOM中提供可行性方案。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 三維激光掃描 DSM DEM DOM

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0092-02

1 緒論

在測(cè)繪行業(yè)的今天，如何快速準(zhǔn)確的獲取更新現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一直是行業(yè)關(guān)注的主要問(wèn)題。在獲取小區(qū)域地形數(shù)據(jù)方面，傳統(tǒng)航測(cè)飛行由于其規(guī)劃較復(fù)雜，天氣影響、需專業(yè)操控手等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取困難，而無(wú)人機(jī)的靈活、便捷以及成本低等特點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)的航測(cè)體現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢(shì)。但無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的平面精度較高而高程精度相對(duì)較差[1]。地面三維激光掃描技術(shù)采用的非接觸式高速激光測(cè)量方式，它的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高密度和高精度等特性在小區(qū)域地形數(shù)據(jù)獲取方面也尤為突出，地面三維激光掃描技術(shù)恰好能夠有效地獲取高精度的高程數(shù)據(jù)[2]，恰好能夠有效地作為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)高精度DEM和DOM的有力補(bǔ)充。

2 總體方案

總體方案見(jiàn)圖1。

3 實(shí)驗(yàn)概況

測(cè)區(qū)位于陜西省西安市城區(qū)南部航天城附近的一塊舊城改造區(qū)域，此區(qū)域地形較為平坦，地物較為復(fù)雜，面積約3.2 km2。該次試驗(yàn)采用RTK測(cè)量了8個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)主要用于三維激光掃描數(shù)據(jù)的絕對(duì)定位，原則上3個(gè)控制點(diǎn)即可，剩余控制點(diǎn)用于數(shù)據(jù)精度的檢核。

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量，無(wú)需反射棱鏡，對(duì)掃描的目標(biāo)不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠[3]。該次三維激光掃描實(shí)驗(yàn)采用的是Focus3D 120型三維激光掃描儀，尺寸為240×200×100 mm3，重5 kg，有內(nèi)置相機(jī)，其掃描速度為976000點(diǎn)/s，可測(cè)量距離154.3 m，每站2～5 min。其特點(diǎn)是快速、輕便、自動(dòng)校準(zhǔn)和全自動(dòng)測(cè)量。該次三維激光掃描實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集4個(gè)h，共掃描52站。

該次無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)采用的是測(cè)圖鷹microdrones md4-1000四旋翼垂直起降小型自動(dòng)駕駛無(wú)人飛行器系統(tǒng)，其搭載的相機(jī)型號(hào)為SONY_α7。此無(wú)人機(jī)航行時(shí)間最長(zhǎng)為70 min，爬升速度為7.5 m/秒，巡航速度為15m/s，抵抗風(fēng)力9m/s，飛行高度最大1000 m，飛行半徑1000 m。此無(wú)人機(jī)搭載的SONY_α7的像幅大小為6000×4000，像素大小為5.97 μm，焦距為36.33 mm。該此無(wú)人機(jī)航拍飛行試驗(yàn)共飛行一個(gè)架次，時(shí)長(zhǎng)約15 min，共拍攝5條航線，136張航片。拍攝期間風(fēng)力較大，考慮無(wú)人機(jī)姿態(tài)問(wèn)題，故將拍攝航線設(shè)置較密，曝光時(shí)長(zhǎng)縮短。

4 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集與處理

該次試驗(yàn)采用三維激光掃描技術(shù)解決了很多復(fù)雜區(qū)域測(cè)量員難以達(dá)到導(dǎo)致相控點(diǎn)獲取困難的問(wèn)題，同時(shí)也避免了相控點(diǎn)測(cè)量時(shí)的不安全因素的發(fā)生。采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件為Focus3D專用的SCENE軟件，此軟件主要功能為進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、拼接以及量測(cè)等。

文中三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的基本步驟為：

（1）點(diǎn)云過(guò)濾。計(jì)算機(jī)可自動(dòng)刪除離散點(diǎn)，離散參數(shù)可設(shè)。

（2）點(diǎn)云拼接。拼接精度檢查，并根據(jù)誤差數(shù)據(jù)調(diào)整拼接。拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)為相對(duì)坐標(biāo)。

（3）RTK控制點(diǎn)引入配準(zhǔn)。導(dǎo)入編輯好的只有三個(gè)控制點(diǎn)的文件，再進(jìn)行一次配準(zhǔn)使其點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每個(gè)點(diǎn)都具有和控制點(diǎn)一樣的絕對(duì)坐標(biāo)。

（4）精度檢查。精度檢查分兩部分，一部分為軟件自身進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度檢查，一部分為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多測(cè)得其他RKT作為檢核點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)比檢查。

通過(guò)點(diǎn)云軟件自身測(cè)得點(diǎn)云的拼接的精度誤差最大為1.1 mm，最小的為0.2 mm。引入控制點(diǎn)后，與多采集的5個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差對(duì)比，五個(gè)點(diǎn)分別為1號(hào)點(diǎn)Δx=0.5 cm，Δy=0.7 cm，Δz=0.1cm；2號(hào)點(diǎn)Δx=0.4 cm，Δy=0.2 cm，Δz=0.3 cm；3號(hào)點(diǎn)Δx=0.3 cm，Δy=1.1 cm， Δz=0.6 cm；4號(hào)點(diǎn)Δx=0.8cm，Δy=0.3 cm，Δz=0.4 cm；5號(hào)點(diǎn)Δx=1.3 cm，Δy=0.4 cm， Δz=0.8 cm；可見(jiàn)誤差基本均小于2 cm，可以用于提供控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。（5）點(diǎn)云輸出。將關(guān)鍵點(diǎn)云區(qū)塊或整體點(diǎn)云導(dǎo)出成通用格式，如pts、las等，目的用于下一步用點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正DPGrid生成的DSM文件。

5 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

無(wú)人機(jī)由于自身的特點(diǎn)導(dǎo)致了其數(shù)據(jù)質(zhì)量不如傳統(tǒng)飛機(jī)。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

（1）內(nèi)業(yè)工作量大。無(wú)人機(jī)遙感屬低空遙感，其影像分辨率和空間分辯率高，由于像幅小使得像片數(shù)量多，造成內(nèi)業(yè)工作量大，效率低等問(wèn)題，用傳統(tǒng)的航測(cè)軟件效率低下[4]。（2）姿態(tài)穩(wěn)定性差。無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)由飛控系統(tǒng)自動(dòng)控制或操控手遠(yuǎn)程遙控控制，由于自身質(zhì)量小，慣性小，受氣流影響大，俯仰角、側(cè)滾角和旋偏角較傳統(tǒng)航測(cè)來(lái)說(shuō)變化快，而且幅度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航測(cè)規(guī)范要求。（3）排列不整齊。受順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)影像大，加上俯仰角和側(cè)滾角的影響，航帶的排列不整齊，主要表現(xiàn)在重疊度的變化幅度大，甚至可能出現(xiàn)漏拍的情況。（4）旋偏角大。受側(cè)風(fēng)和不穩(wěn)定氣流影響，相鄰兩張影像一般容易出現(xiàn)旋偏角變化特別大的情況。（5）影像畸變大。相對(duì)專業(yè)航攝儀來(lái)說(shuō)，小數(shù)碼影像（普通單反拍攝的）畸變大。

此次實(shí)驗(yàn)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理采用的軟件均為適普公司生產(chǎn)的EasyMosaic快速拼接系統(tǒng)和DPGrid數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量網(wǎng)格系統(tǒng)。 EasyMosaic主要用于飛行質(zhì)檢及快速生產(chǎn)測(cè)區(qū)快視圖，它可以快速檢查測(cè)區(qū)航拍質(zhì)量及有無(wú)漏飛等情況。它無(wú)需控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，僅利用概略POS快速拼接測(cè)區(qū)影像圖并進(jìn)行航飛質(zhì)量檢查功能，能準(zhǔn)確的判斷影像的航飛質(zhì)量及重疊度，旋轉(zhuǎn)角等功能的測(cè)算。DPGrid第二代航測(cè)處理軟件，不僅可以用于傳統(tǒng)航片的處理，也可用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理。

通過(guò)該次Easymosaic飛行質(zhì)檢的結(jié)果信息可知，這次飛行的136張片子的航向重疊度最小在82.67%，最大重疊度在90.12%，旁向重疊度最小為73.34%，最大為81.75%，旋偏角最大23.59。由于重疊度過(guò)大，因此將5條航帶抽為3條航帶，同時(shí)剔除航片中個(gè)別旋偏角過(guò)大的片子，最后保留了45張航片再進(jìn)行了飛行質(zhì)檢，最后質(zhì)檢結(jié)果最小的航向重疊度為63.21%，最小的旁向重疊度在32.32%，滿足要求。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，將這45張航片作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

DPGrid無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理基本步驟為：

（1）參數(shù)設(shè)定及航帶設(shè)置。DPGrid下的參數(shù)設(shè)定主要指相機(jī)參數(shù)的設(shè)定，POS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的編輯，航帶調(diào)整以及控制點(diǎn)文件編輯。

（2）影像預(yù)處理。無(wú)人機(jī)、飛艇等搭載的都屬于非量測(cè)相機(jī)，一般要在處理之前先做畸變改正。

（3）空三自動(dòng)匹配與挑點(diǎn)。自動(dòng)挑點(diǎn)針對(duì)程序匹配后的同名點(diǎn)建立相互連接關(guān)系，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位保留點(diǎn)個(gè)數(shù)的篩選，此步驟嵌入了平差功能，初步剔除了測(cè)區(qū)內(nèi)粗差大的連接點(diǎn)。

（4）空三交互編輯。空三交互編輯是一個(gè)不斷平差和調(diào)點(diǎn)的循環(huán)過(guò)程，循環(huán)進(jìn)行到像點(diǎn)中誤差和最大像點(diǎn)殘差以及控制點(diǎn)誤差都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可，但最理想結(jié)果為直到迭代后誤差不再變小為止。

（5）點(diǎn)云控制點(diǎn)引入。設(shè)置編輯好的控制點(diǎn)文件，起初的四個(gè)控制點(diǎn)必須要人工選定，其余的控制點(diǎn)可通過(guò)軟件的預(yù)測(cè)控制點(diǎn)功能自動(dòng)預(yù)測(cè)出其位置，只需要認(rèn)為調(diào)點(diǎn)即可。該次用于空三解算的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)全部來(lái)自于地面三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取的參與平差的控制點(diǎn)共12個(gè)。

（6）平差解算與空三交互編輯。在引入控制點(diǎn)后，進(jìn)行了PATB光束法區(qū)域網(wǎng)平差，平差后同樣刪除錯(cuò)點(diǎn)或調(diào)整不準(zhǔn)確的點(diǎn)，以及補(bǔ)點(diǎn)，然后再進(jìn)行平差解算，依次循環(huán)的操作，此循環(huán)的退出條件是像點(diǎn)中誤差和最大像點(diǎn)殘差以及控制點(diǎn)誤差都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可。待平差結(jié)果符合要求后，輸出空三成果。

（7）創(chuàng)建DSM。利用輸出空三成果，在加密點(diǎn)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行密集匹配，生成DSM點(diǎn)云像點(diǎn)文件。建議此時(shí)文件先不進(jìn)行濾波處理，可通過(guò)地面三維激光掃描的點(diǎn)云文件修正此文件后，再進(jìn)行濾波即可。

（8）DSM修正。通過(guò)EPS地理信息工作站的點(diǎn)云模塊的DSM修正功能，將DSM中的點(diǎn)在地面三維激光掃描文件中進(jìn)行修正，修正原理是根據(jù)DSM的點(diǎn)的X，Y值匹配點(diǎn)云中的X，Y坐標(biāo)值，將地面三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的Z值替換為DSM點(diǎn)的Z值。

（9）DEM生產(chǎn)及編輯。通過(guò)替換后的DSM文件生產(chǎn)DEM，并通過(guò)DPGridProxy.exe軟件的DEM濾波功能再進(jìn)行濾波處理，加上人工編輯，進(jìn)一步提高DEM的精度。

（10）DOM生產(chǎn)及編輯。

6 精度分析

隨即抽取的4個(gè)相對(duì)的169個(gè)加密點(diǎn)的絕對(duì)定向后的平面位置及高程誤差區(qū)間見(jiàn)表1 。

隨即抽取的4個(gè)相對(duì)的平面位置及高程中誤差如表2所示。

通過(guò)立體相對(duì)測(cè)得8個(gè)控制點(diǎn)的高程坐標(biāo)與RTK布設(shè)的8個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

7 結(jié)語(yǔ)

由精度分析結(jié)果可見(jiàn)，通過(guò)此方法獲取的DEM和DOM的平面位置誤差及高程位置誤差基本符合1∶1000比例尺航空攝影測(cè)量的規(guī)范要求。因此，結(jié)合無(wú)人機(jī)技術(shù)及地面三維激光掃描技術(shù)快速制作小區(qū)域高精度DEM和DOM的方案可行。展望一：目前研究的三維激光掃描數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍還停留在人工挑選相控點(diǎn)層面，是否可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)挑點(diǎn)有待試驗(yàn)。展望二：試驗(yàn)區(qū)為地形較為平坦，試驗(yàn)效果較好，也基本滿足1∶500比例尺地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)要求，但針對(duì)于山區(qū)，地勢(shì)起伏較大的地形效果如何還需做進(jìn)一步試驗(yàn)。

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