無人機(jī)遙感在基礎(chǔ)測繪快速更新中的應(yīng)用

沈泉飛黃夢雪朱艷慧曹 敏

（1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京210013;2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210023）

0 引 言

基礎(chǔ)測繪是為經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展提供地理信息的基礎(chǔ)性、公益性事業(yè)，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)需要不斷更新才能滿足社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)勢性需求。在基礎(chǔ)測繪更新中已經(jīng)形成了一系列測量方法與更新機(jī)制，如徐加祥等[1]在2008年以鹽城市為例，提出了建立一套基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制，用于數(shù)據(jù)更新、維護(hù)、管理以及地理信息數(shù)據(jù)資源共享。張海濤[2]在2012年論述了一體化測繪技術(shù)在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用。顧芒等[3]在2017年將增量更新技術(shù)運(yùn)用到基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)更新中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地理要素?cái)?shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。這些基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)更新辦法一般是采用常規(guī)航空遙感或衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)更新，但常規(guī)航空遙感、衛(wèi)星遙感具有航攝周期長、成本高、數(shù)據(jù)量大、處理周期長的特點(diǎn)，尤其不能滿足小范圍區(qū)域的快速更新要求。根據(jù)《江蘇省“十三五”省級基礎(chǔ)測繪規(guī)劃》要求，作為常規(guī)更新工作的一項(xiàng)重要補(bǔ)充，我省需建立重要基礎(chǔ)地理信息快速更新機(jī)制。

無人機(jī)遙感（UAV Remote Sensing，UAVRS）利用了先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，是具有自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[4]?，F(xiàn)代社會(huì)中，遙感技術(shù)已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的必備高科技手段。如崔丹丹等[5]在2013年將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于江蘇省海域和海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測中，極大豐富了我省海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測手段。褚建春[6]在2017年將旋翼無人機(jī)遙感航攝系統(tǒng)用于大比例尺地形圖測繪研究，獲得了高分辨率地面影像，適用于小范圍高精度航測。劉福春等[7]在2015年將無人機(jī)遙感系統(tǒng)用于土地復(fù)墾測量，該研究證實(shí)了無人機(jī)航空攝影測量比傳統(tǒng)數(shù)字化測圖在土地復(fù)墾中應(yīng)用更為先進(jìn)。任娟[8]在2015年利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)，估算了研究區(qū)物源變化量，模擬了物源變化前后泥石流的堆積范圍。王利民等[9]在2013年將無人機(jī)影像應(yīng)用于農(nóng)情遙感監(jiān)測。孫磊等[10]提出了大區(qū)域無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的快速幾何處理。這些研究表明，無人機(jī)遙感具有體積小、造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡便、獲取影像速度快、地面分辨率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對某一重點(diǎn)研究區(qū)域大范圍遙感影像的快速獲取。采用無人機(jī)遙感作為衛(wèi)星遙感和航空遙感的有益補(bǔ)充，勢必成為基礎(chǔ)地理信息快速更新的重要手段。

本研究著重形成一套面向基礎(chǔ)測繪更新的無人機(jī)航攝快速獲取影像和快速生成高精度影像成果的處理方法，主要包括:作業(yè)區(qū)資料收集以及外業(yè)方案制定、無人機(jī)影像快速獲取和無人機(jī)影像快速處理與精度分析。通過最終的精度評價(jià)，進(jìn)而論證無人機(jī)遙感滿足基礎(chǔ)測繪地理信息快速更新的需求。

1 無人機(jī)航攝控制點(diǎn)布置

本研究選取南京市浦口區(qū)約1.5 km2的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)研究區(qū)域上一輪基礎(chǔ)測繪影像確定實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍（圖1）:主要為公路所形成的九宮格區(qū)域。研究區(qū)域地形平坦、交通便利，高層建筑物少，主要為一些大型廠房設(shè)施，有利于起降點(diǎn)布置。在航攝區(qū)域中心附近架設(shè)一個(gè)地面GPS基站，可以保證航攝POS精度。該區(qū)域易于識別的特征點(diǎn)地面較多，共使用RTK采集了51個(gè)地面點(diǎn)，均勻分布于航攝區(qū)域，其中測區(qū)四角設(shè)置4個(gè)地面點(diǎn)為影像處理控制點(diǎn)，其余47個(gè)為精度檢查點(diǎn)。

圖1 航攝區(qū)域及基站、像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布圖

2 無人機(jī)航攝影像獲取

本次航攝使用的無人機(jī)為Wingtra小型電動(dòng)無人機(jī)。Wingtra無人機(jī)系統(tǒng)具有操作簡便、定點(diǎn)起降的特點(diǎn)，并支持高精度 GNSS（PPK/RTK）。Wingtra小型電動(dòng)無人機(jī)空載重量3.6 kg，最大起飛重量4.4 kg，巡航速度55 km/h，航線規(guī)劃、操作軟件采用平板式智能地面站控制系統(tǒng)，操控簡單、輕便靈活。Wingtra無人機(jī)可以在GPS精度下全自動(dòng)垂直起降，起飛時(shí)垂直上升，達(dá)到設(shè)置高度自動(dòng)切換為傾斜上升，到達(dá)目標(biāo)高度自動(dòng)轉(zhuǎn)為平飛進(jìn)入航線，降落時(shí)達(dá)到設(shè)置高度自動(dòng)切換為垂直降落的目的。飛機(jī)采用激光測高法輔助精準(zhǔn)降落，誤差小于2 m，免去起降場選擇，降低起降要求。

航攝相機(jī)為Sony RX1RII，像幅7 952×5 304 pixels，像元大小4.4μ，定焦鏡頭為35 mm。一般無人機(jī)航攝相機(jī)是非量測相機(jī)，相機(jī)存在較大鏡頭畸變、像主點(diǎn)偏移等誤差，其精度對影像處理精度有非常大的影響，因此必須嚴(yán)格標(biāo)定相機(jī)參數(shù)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星傳感器、航空傳感器相比較，無人機(jī)航攝姿態(tài)穩(wěn)定性差是其主要特點(diǎn)，這也是影響其定位精度的主要因素。Wingtra無人機(jī)配置了高精度GNSS（PPK/RTK）系統(tǒng)，以獲得無人機(jī)航攝影像的高精度外方位元素。

本次無人機(jī)航攝時(shí)間為2017年11月21日，天氣晴朗，能見度高，風(fēng)力小于4級，飛行采用自動(dòng)起飛、自動(dòng)規(guī)劃飛行路線、自動(dòng)降落模式，全程耗時(shí)約30 min，設(shè)計(jì)航高約390 m，航向重疊度為75%，旁向重疊度為60%，共計(jì)13條航帶，拍攝影像276張，影像地面分辨率約為5.1 cm。航線和像主點(diǎn)示意圖下所示（圖2）。

圖2 航線、像主點(diǎn)示意圖

3 基礎(chǔ)測繪更新中無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)處理

隨著無人機(jī)影像處理技術(shù)的成熟，可供選擇的無人機(jī)影像處理軟件也越來越多。目前市面上主要有Pix4D、APS、Correlator3D、Geoway等，各軟件的處理效果及速度各有特點(diǎn)。本文選擇Pix4D軟件進(jìn)行影像處理（圖3）。

圖3 基礎(chǔ)測繪更新中無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)處理流程

（1）影像篩選及POS數(shù)據(jù)解算。為了保證航攝區(qū)域有足夠的影像覆蓋，另外在航線拐角處，由于旋偏角過大造成一些影像無效，一般無人機(jī)航攝范圍都會(huì)比所需范圍要大。通過對影像篩選可以加快處理速度，提高影像處理質(zhì)量。經(jīng)過篩選，可供有效使用的影像共257張，影像實(shí)際地面覆蓋范圍約3 km2。航攝完成后，經(jīng)過解算，獲得所有影像的POS數(shù)據(jù)，將POS數(shù)據(jù)掛接在對應(yīng)影像數(shù)據(jù)上，供PIX4D軟件自動(dòng)識別。

（2）空三加密，將經(jīng)過篩選的影像、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix4D軟件工程中，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差算法，解算航攝相機(jī)曝光點(diǎn)的正確坐標(biāo)和姿態(tài)角，完成影像匹配，提取加密點(diǎn)，并與像控點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差，完成空三加密過程。

（3）Pix4D軟件根據(jù)空三加密成果逐像素地計(jì)算地面高程值生成精確的DSM模型。得到DSM之后，進(jìn)行數(shù)字微分糾正，將原始影像進(jìn)行正射糾正并拼接成DOM。需要注意，Pix4D是根據(jù)DSM進(jìn)行微分糾正的，由于原始影像的重疊率不是很高，因此生成的DSM在建筑物邊緣精確度會(huì)受到影響，DOM可能在建筑物邊緣處存在扭曲、拉花的現(xiàn)象，對于這些地方，需要手動(dòng)編輯。

（4）Pix4D處理無人機(jī)影像可以選擇快速拼接或者高精度處理方式?？焖倨唇觾?yōu)勢是處理時(shí)間短、能夠快速成圖，但精度不高，只能滿足應(yīng)急需要。本次影像處理快速拼接用時(shí)約1 h，高精度處理用時(shí)約4 h 40 min，Pix4D工程中自動(dòng)輸出處理后的DSM和DOM數(shù)據(jù)（圖4）DSM分辨率為1/2原始影像分辨率大小，DOM地面分辨率為原始航攝影像分辨率。輸出處理結(jié)果精度報(bào)告。

圖4 試驗(yàn)區(qū)DSM渲染圖（a）和DOM效果圖（b）

4 精度分析

為檢測正射影像DOM制作精度，在ArcGIS軟件里加載DOM和實(shí)測的地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用47個(gè)檢查點(diǎn)對DOM上的同名點(diǎn)進(jìn)行對比（圖5），得到詳細(xì)的精度評價(jià)結(jié)果（表1—2）。

表1 DOM平面精度評價(jià)/m

表2 高程精度評價(jià)/m

根據(jù)圖5和表1—2可知，平面位置精度中誤差:X方向（東西方向）最大為0.074 m，Y方向（南北方向）最大為0.095 m，整體平面中誤差0.044 m，最大誤差為0.095 m，不超過2個(gè)像素。根據(jù)《1∶5 00 1∶10 00 1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T 7930—2008）和《1∶5 000 1∶10 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T 13990—2012），本次無人機(jī)正射影像誤差精度已滿足大比例尺測圖要求，而基礎(chǔ)測繪的誤差精度相比于大比例尺測圖精度要求要低。研究表明，無人機(jī)遙感完全能滿足我省基礎(chǔ)測繪地理信快速更新的需求。

5 結(jié) 語

（1）無人機(jī)遙感相比衛(wèi)星遙感具有更高的地面空間分辨率，相比常規(guī)航空遙感具有更快的部署效率。本文對基礎(chǔ)測繪快速更新中無人機(jī)影像快速獲取與處理、結(jié)果精度方面進(jìn)行了研究，探討了無人機(jī)影像在基礎(chǔ)測繪地理信息快速更新領(lǐng)域的可行性。研究認(rèn)為，無人機(jī)遙感在基礎(chǔ)測繪地理信息快速更新領(lǐng)域能夠滿足要求，具有巨大優(yōu)勢和廣闊前景。

（2）本次研究只是基于小范圍的無人機(jī)遙感影像處理實(shí)驗(yàn)，對于較大范圍，需要多批次、多架次航攝的區(qū)域更新，還需要進(jìn)一步研究。