無人機(jī)航攝1∶2 000立體測圖關(guān)鍵技術(shù)探討*

王亞男，馬燕燕，萬保峰，萬　益，普志凡

(云南省地礦測繪院，云南 昆明　650218)

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無人機(jī)航攝1∶2 000立體測圖關(guān)鍵技術(shù)探討*

王亞男，馬燕燕，萬保峰，萬益，普志凡

(云南省地礦測繪院，云南 昆明650218)

摘要：近年來，利用無人機(jī)航攝制作正射影像圖(DOM)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但利用無人機(jī)航攝制作大比例尺線劃圖(DLG)仍然存在一些技術(shù)問題。為此，文章對利用無人機(jī)航攝進(jìn)行1∶2 000立體測圖的步驟和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并給出一些理論性和經(jīng)驗(yàn)性的建議。

關(guān)鍵詞：低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)；地形圖；立體測圖

0引言

近年來，無人機(jī)航攝以其方便、快捷、成本低、云下作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)迅速蔓延到各個(gè)領(lǐng)域。在測繪領(lǐng)域利用其制作正射影像(DOM)技術(shù)已成熟，獲取大面積高分辨率正射影像已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。但由于正射影像圖沒有高程信息，往往只能作為工作底圖來使用，而規(guī)劃、施工、設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域必須使用帶有高程信息的地形圖來開展工作。因此，利用無人機(jī)影像建立立體模型來制作大比例尺地形圖是一項(xiàng)有實(shí)用意義和前景的技術(shù)。盡管提出該想法的人很多，但對于利用無人機(jī)影像制作大比例尺地形圖還存在很多技術(shù)問題。本文就無人機(jī)航攝的特點(diǎn)對制作大比例尺數(shù)字線劃圖(DLG)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論，給出一些理論性和經(jīng)驗(yàn)性的建議，并以勐海一塊丘陵地作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，對利用無人機(jī)航攝制作1∶2 000地形圖的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1無人機(jī)立體測圖的優(yōu)勢

對于DLG的測制，數(shù)字航空攝影立體測圖比全野外測圖省時(shí)省力，且外業(yè)工作量少，受天氣影響相對較小，對工期較緊的項(xiàng)目有優(yōu)勢。數(shù)字航空攝影空三加密之后可以快速生成初步的正射影像，該正射影像以其直觀性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以作為外業(yè)調(diào)繪的參考資料，通過后期編輯也可作為一種副產(chǎn)品提供給甲方。

隨著數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的硬件、軟件各方面的持續(xù)改進(jìn)，利用大飛機(jī)航飛的DLG制作技術(shù)已趨于成熟。但利用大飛機(jī)航測具有成本高、空管調(diào)度難協(xié)調(diào)、起飛場地苛刻等弊端，不適合小面積區(qū)域測圖。而無人機(jī)以其成本低、靈活機(jī)動等優(yōu)點(diǎn)開始占據(jù)小面積DLG制作的市場。

2無人機(jī)立體測圖流程及立體模型建立原理

2.1無人機(jī)立體測圖的流程

基于立體模型的線劃圖采集稱為立體測圖。無人機(jī)立體測圖的關(guān)鍵步驟有航線設(shè)計(jì)、外業(yè)航飛、像控布設(shè)、空三加密、立體模型建立、線劃圖采集、調(diào)繪和內(nèi)業(yè)編輯整理?；玖鞒虉D，見圖1。

圖1　無人機(jī)立體測圖流程Fig.1　Flow chart of topographic map produced with UAV

2.2立體模型建立原理

在兩個(gè)攝站點(diǎn)攝取的同一景物，只要兩條同名像點(diǎn)的視線與眼基線在一個(gè)平面內(nèi)，利用立體眼鏡就能看出立體效果。

航拍出來的影像排好航帶后，找到左右影像足夠多的的同名點(diǎn)，基于每個(gè)像對同名光線對對相交于核面內(nèi)的共面條件方程，解求出五個(gè)相對定向元素，即可建立像空間立體模型。通過野外像控測量，利用中心投影的地面點(diǎn)、攝影站點(diǎn)和像點(diǎn)三點(diǎn)共線方程求出七個(gè)絕對定向元素，把像空間立體模型納入到地面攝影坐標(biāo)系中，就建立起了物方空間坐標(biāo)系的立體模型[2]。

處理好的物方空間坐標(biāo)系下的立體模型還要進(jìn)行水平核線重采樣，將同名核線重采樣到“水平”影像上，在數(shù)字立體測圖設(shè)備下借助立體眼鏡和線劃圖采集平臺就可以進(jìn)行立體測圖。

3無人機(jī)1∶2 000立體測圖關(guān)鍵步驟的質(zhì)量控制

利用無人機(jī)影像測制 DLG的各個(gè)關(guān)鍵步驟要求比制作DOM更嚴(yán)格，現(xiàn)將應(yīng)該考慮的主要因素總結(jié)如下。

3.1相機(jī)鏡頭的選擇

低航高、大孔徑、短曝光時(shí)間是無人機(jī)系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[3]。現(xiàn)行最常用于立體測圖的無人機(jī)應(yīng)該是中小型的固定翼無人機(jī)，該類無人機(jī)價(jià)格相對便宜，姿態(tài)比旋翼機(jī)穩(wěn)定。適用于該型號無人機(jī)的單反數(shù)碼相機(jī)和廣角鏡頭可選性較多，但像幅都不算大，焦距也較短。

立體像對的平面精度取決于空三加密的精度，高程精度由傳感器本身設(shè)計(jì)的基高比決定[4]?；弑仁腔€與相對航高的比值，像幅長邊垂直于飛行方向時(shí)，基高比的影響因素有影像寬度、相對航高、相機(jī)焦距、像素大小、航向重疊度，具體關(guān)系如下：

(1)

(2)

式中：f為焦距；GSD為地面分辨率；H為相對航高。理想基高比為1∶1～1∶1.5[4]，對于目前使用的無人機(jī)，基高比都較小，達(dá)到1∶1.5都較難，因此只能盡量去增大基高比來提高高程精度。

理想狀態(tài)下，要提高基高比可選擇焦距短、像素大、像幅寬的鏡頭。對于平原、丘陵地區(qū)焦距較小的相機(jī)是不錯(cuò)的選擇，但如果是建筑物較高或者是山地、高山地的測區(qū)，為了減少投影差就必須選擇焦距較長的相機(jī)。將數(shù)碼相機(jī)像幅短邊垂直于航線方向放置可增大影像寬度，但這樣設(shè)置會增加航線的長度，可綜合考慮后再選擇。

從式(1)來看，也可通過縮小航向重疊度來增大基高比，但用于立體測圖的航向重疊度不宜太小，在滿足至少航向60%重疊和旁向30%重疊的前提下還應(yīng)該更大一些，因?yàn)檩^高航向和旁向重疊雖然會讓基高比變小和影像數(shù)目過多，但在空中三角測量時(shí)能夠得到更穩(wěn)定的幾何連接關(guān)系，提高平差解算的精度和可靠性[5]，而且大重疊度的攝影測量正在成為航空攝影測量的主流[6]。

為了提高高程精度和飛行效率，增大基高比，應(yīng)該選擇像素大、像幅較寬的鏡頭，有條件的情況下可考慮利用中型無人機(jī)搭載雙拼或四拼的鏡頭進(jìn)行拍攝。

3.2外業(yè)數(shù)據(jù)獲取關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1影像質(zhì)量控制

航線設(shè)計(jì)時(shí)，在保證重疊度和地面分辨率滿足相應(yīng)成圖比例尺的要求之外，如果是一個(gè)飛行架次中區(qū)域地形起伏較大，可以將航線設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)面略小于平均海拔，從而使區(qū)域內(nèi)較低地區(qū)地面分辨率GSD能達(dá)到成圖要求[7]。

飛行質(zhì)量也是立體模型建立好壞的一個(gè)決定性因素。一個(gè)架次內(nèi)保證照片的傾角小于5度，旋角小于15度。對于立體測圖，傾角和旋角還應(yīng)更小一些，否則影響空中三角測量精度，且會縮小立體模型的有效面積，較嚴(yán)重的情況下還會導(dǎo)致構(gòu)建立體模型失敗，從而讓線劃圖采集時(shí)出現(xiàn)漏洞或模型間的跳變較大。

3.2.2像控質(zhì)量控制

像控布設(shè)多數(shù)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，為了減少誤差累積，使整個(gè)測區(qū)的空三加密結(jié)果可靠性更強(qiáng)，一般立體測圖的像控布設(shè)應(yīng)較密集，如能達(dá)到每張影像均有像控點(diǎn)分布最好，特別是高程控制點(diǎn)應(yīng)該分布均勻，并且達(dá)到一定的密度。

一般情況下布設(shè)像控點(diǎn)就是選取測區(qū)內(nèi)明顯、固定的特征點(diǎn)，但并非所有的測區(qū)都能找到足夠多的特征點(diǎn)來布設(shè)像控，因此可以在航飛之前人為布設(shè)一些能在影像上清晰識別的特征點(diǎn)，并利用GPS RTK實(shí)測出這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)，作為空三加密階段的像控點(diǎn)[8]。

3.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1原始影像處理

由于數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像畸變都較大，因此必須在航拍前對相機(jī)的內(nèi)方位元素和透鏡的畸變差進(jìn)行檢校[9]，并利用檢校參數(shù)對原始影像進(jìn)行主點(diǎn)偏移糾正和畸變糾正。

為了使相對定向時(shí)同名點(diǎn)的匹配更加準(zhǔn)確，往往需要利用影像增強(qiáng)技術(shù)來增強(qiáng)原始影像的反差，使影像中模糊的紋理變得清晰，增強(qiáng)紋理細(xì)節(jié)，抑制噪聲的影響。

3.3.2空三質(zhì)量控制

無人機(jī)空三加密主要采用的是光束法區(qū)域網(wǎng)平差的方法，該方法是以一幅影像所組成的一束光線作為平差的基礎(chǔ)單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，建立全測區(qū)的統(tǒng)一誤差方程式，整體解求區(qū)域內(nèi)每張像片的六個(gè)外方位元素以及所有待求點(diǎn)的地面坐標(biāo)[2]。

用于立體測圖的測區(qū)，要盡量確保每張影像上的加密點(diǎn)密度和均勻性，這就要求測區(qū)內(nèi)航向三度連接點(diǎn)和旁向四度點(diǎn)都要足夠多和準(zhǔn)確。像點(diǎn)坐標(biāo)的匹配和量測精度是決定立體像對高程坐標(biāo)精度的重要因素之一[10]。對于測制1∶2 000的線劃圖，在進(jìn)行相對定向時(shí)，要保證同名點(diǎn)中誤差不大于2/3個(gè)像素，最大誤差不超過3/4個(gè)像素。對于丘陵地，加像控后基本定向點(diǎn)平面和高程中誤差均控制在0.6 m以內(nèi)。立體測圖時(shí)，可以對每個(gè)立體模型的絕對定向結(jié)果進(jìn)行檢查，選擇性地采用精度較高的模型進(jìn)行線劃采集。

3.3.3線劃圖采集技巧

線劃圖的采集以切準(zhǔn)地面為原則，由于每個(gè)人有視覺差異，初次進(jìn)行立體測圖的作業(yè)人員需要進(jìn)行立體觀測的訓(xùn)練才能上崗作業(yè)。線劃圖采集時(shí)盡量選取立體模型中間位置來采集，因?yàn)樵娇拷吘壍奈恢媚Ｐ徒舆叢钤酱蟆?/p>

描繪房屋和街區(qū)輪廓時(shí)，應(yīng)先以測標(biāo)中心切準(zhǔn)房角或輪廓拐角，然后再打點(diǎn)連線。各種道路、管線、溝堤等應(yīng)跟跡描繪，走向明確，銜接合理。用符號表示的各種地物，其定位點(diǎn)或定位線應(yīng)描繪準(zhǔn)確。

等高線宜采用切準(zhǔn)模型描繪。在等傾斜地段，當(dāng)計(jì)曲線間距小于5 mm時(shí)，可只測計(jì)曲線，內(nèi)插首曲線。有植被覆蓋的地表，宜切準(zhǔn)地面描繪，當(dāng)只能沿植被表面描繪，應(yīng)加植被高度改正；對于等高線描繪誤差，平地、丘陵地不應(yīng)大于1/5基本等高距，山地、高山地不應(yīng)大于1/3基本等高距。

像對間地物接邊差應(yīng)小于地物點(diǎn)平面位置中誤差的2倍。等高線接邊差宜小于1個(gè)基本等高距，山地、高山地可適當(dāng)放寬。

3.4野外調(diào)繪

立體測圖一個(gè)重要的工序就是調(diào)繪。凡測區(qū)內(nèi)的地物、地貌要素均需由外業(yè)在實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，并對影像看不清、判不準(zhǔn)、以及航攝后新增、變化地物，均需在野外補(bǔ)測、補(bǔ)調(diào)。比如，由于樹木或者建筑物的遮擋，必然會有一些地形和地物在室內(nèi)的立體模型中看不到，如水溝、涵洞等。還有河流的名稱、水流的方向、房屋的層數(shù)、村莊和單位的名稱等，這些都需要進(jìn)行實(shí)地調(diào)查才能在圖上標(biāo)注。對于比1∶2 000更大比例尺的地形圖還要考慮房檐改正。

4應(yīng)用實(shí)例

本文選取勐海境內(nèi)一塊丘陵地作為試驗(yàn)區(qū)域，對無人機(jī)1∶2 000立體測圖進(jìn)行探討。該測區(qū)面積10 km2，平均海拔1 200 m，高差100 m。測區(qū)內(nèi)有村莊、道路、農(nóng)田、林地等地物。

航飛采用快眼Ⅱ型固定翼無人機(jī)。該區(qū)域?yàn)榍鹆甑?、地形起伏不大，選取搭載焦較短的Canon EOS 5DⅡ相機(jī)，焦距為24.36 mm，像幅大小為5 616×3 744像素(pixel)，像素尺寸為6.41 μm。相機(jī)檢校參數(shù)(單位：pixel)，如表1所示。

表1　相機(jī)檢校文件

該測區(qū)共布設(shè)五條航帶，有效影像118張。設(shè)計(jì)相對航高為750m，航向重疊70%，旁向重疊36%，基高比在1∶2.5左右。盡量選擇天氣晴朗、能見度高的時(shí)間進(jìn)行航攝。獲取的影像分辨率優(yōu)于0.2 m，測區(qū)內(nèi)航高差小于10 m。航飛之前已用石灰撒出了49個(gè)十字形的像控點(diǎn)，該十字形像控點(diǎn)的規(guī)格為0.2 m×1.5 m，具體形式如圖2所示，并利用GPS RTK實(shí)測出這些點(diǎn)的坐標(biāo)。選取均勻分布于測區(qū)的41個(gè)點(diǎn)作為基本定向點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)作為空三檢查點(diǎn)，5個(gè)點(diǎn)作為線劃圖采集后的檢查點(diǎn)?；颈ＷC每張影像都有像控點(diǎn)覆蓋，以控制誤差累積，控制點(diǎn)布設(shè)情況如圖3所示。每個(gè)像對都超過30個(gè)加密連接點(diǎn)，整個(gè)測區(qū)連接點(diǎn)的中誤差為0.003 72 mm，小于2/3個(gè)像素。經(jīng)過光束法區(qū)域網(wǎng)平差之后定向點(diǎn)平面位置中誤差為0.19 m，高程中誤差為0.21 m，檢查點(diǎn)平面位置中誤差為0.41 m，高程中誤差為0.38 m。立體模型經(jīng)過絕對定向后連接點(diǎn)的平面和高程中誤差均在0.5 m以內(nèi)。

圖2　像控點(diǎn)示意圖Fig.2　Diagram of image control points

圖3　區(qū)域網(wǎng)平差網(wǎng)形圖Fig.3　Block adjustment network diagram

利用VirtuoZoNT建立立體模型，導(dǎo)入EPS線劃圖采集平臺進(jìn)行立體測圖，分別采集了房屋、道路、高程點(diǎn)和等高線等，并利用該區(qū)域內(nèi)同期已通過驗(yàn)收的1∶2 000線劃圖進(jìn)行對比，房屋和道路兩者典型的差異如圖4(a)和圖4(b)所示(深色線表示野外實(shí)測，淺色線為立體測圖所得)。房屋是未進(jìn)行房檐改正的情況下做的對比，一般情況下1∶2 000的地形圖不需要進(jìn)行房檐改正，更大比例尺的地形圖在進(jìn)行野外調(diào)繪時(shí)還需要進(jìn)行該項(xiàng)工作；道路是未調(diào)繪之前作的比較，道路產(chǎn)生差異的主要原因是道路邊緣有樹木遮擋，對于植被覆蓋的路邊最好進(jìn)行調(diào)繪修正。

(a)房屋差異圖　　　　　(b)道路差異圖圖4　房屋和道路差異圖Fig.4　The difference figures of buildings and roads

對有差異的房角點(diǎn)、道路轉(zhuǎn)折點(diǎn)和相同位置的高程點(diǎn)進(jìn)行了精度對比分析，并作了精度統(tǒng)計(jì)，按同精度檢測中誤差公式進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，公式為：

(3)

式中：M為成果中誤差；Δi為較差；n為檢測點(diǎn)總數(shù)。

選取了測區(qū)內(nèi)160個(gè)房角點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，中誤差為0.46 m；選取113個(gè)道路特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的中誤差是0.63 m；選取120個(gè)高程點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的中誤差為0.48 m；等高線的差異在1/2個(gè)等高距之內(nèi)。以上精度均滿足1∶2 000地形圖對平面和高程的精度要求。選取一塊利用立體測圖經(jīng)外業(yè)調(diào)繪和內(nèi)業(yè)編輯后的線劃圖與正射影像疊加的效果圖，如圖5所示。建議將這種帶有等高線的影像圖用于土地開發(fā)整理、土地資源調(diào)查、工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工等，該類圖不僅含有高程信息，也比線劃地形圖更直觀，可提高用圖效率。

圖5　立體測圖線劃圖與DOM疊加效果圖Fig.5　Superimposed map of DOM and DLG obtained by stereo mapping

5結(jié)論

本文論述了無人機(jī)航攝立體測圖各個(gè)步驟的關(guān)鍵點(diǎn)?？傮w來講，在具體操作中要選擇合適的相機(jī)、精心設(shè)計(jì)航線、合理布

設(shè)像控點(diǎn)、嚴(yán)格進(jìn)行空三加密的解算、認(rèn)真調(diào)繪編輯，最終得到的線劃圖才能達(dá)到規(guī)范的精度要求，

經(jīng)過實(shí)踐，利用無人機(jī)低空航攝制作1∶2 000地形圖，在保證精度達(dá)到規(guī)范要求的前提下，相對于全野外作業(yè)更省時(shí)省力。將立體測圖得到的等高線與生成的正射影像圖疊加所得的圖形，以其直觀高效的優(yōu)勢，在國土資源、規(guī)劃、設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域也將發(fā)揮較大作用。

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Discussion on Key Technology of 1∶2 000 Stereo Mapping Based on UAV

WANG Ya-nan，MA Yan-yan，WAN Bao-feng，WAN Yi，PU Zhi-fan

(YunnanInstituteofSurveyingandMappingofGeologyandMineralResources，KunmingYunnan650218，China)

Abstract：In recent years，the technology of using UAV aerial system to produce DOM has been matured，but there are still some technical problems to produce large scale DLG by using UAV aerial system.Therefore，the article discusses the operation steps and the key techniques of 1∶2 000 stereo mapping by using UAV aerial system，and gives some theoretical and experiential suggestions.

Key words：low-altitude UAV aerial system；topographic map；stereo mapping

作者簡介：王亞男(1986～)，女，云南保山人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事航空攝影測量和影像處理方面的工作。

中圖分類號：P 23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1007-9394(2016)01-0030-04

收稿日期：2015-10-19

地礦測繪2016，32(1)：30～33

CN 53-1124/TDISSN 1007-9394

Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources