不同地形條件下基于INPHO制作的DOM精度分析

熊康妮 左小清 麻源源 張寧

摘要：與傳統(tǒng)攝影測量方式相比，無人機(jī)攝影測量技術(shù)作業(yè)模式具有易于操作、設(shè)備和作業(yè)成本較低、受氣候和場地影響較小等優(yōu)點，可以高效快速獲得高分辨率遙感影像，是航空攝影測量和航天遙感測量等傳統(tǒng)方式的有效補充。采用Inpho軟件系統(tǒng)對無人機(jī)航測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到正射影像圖并進(jìn)行精度分析。無人機(jī)數(shù)據(jù)分別來自兩個特征明顯的地形：平地與山地，通過成果精度檢驗與探討，結(jié)果表明：兩種DOM成果均滿足精度要求，無人機(jī)航測技術(shù)適用于山地、平地等不同地形條件下的工程測量。

關(guān)鍵詞：INPHO；無人機(jī)航測；DOM；攝影測量；空三加密；精度分析

DOI：10.11907/rjdk.173115

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0184-05

Abstract：Comparedwiththetraditionalphotogrammetry，UAVphotogrammetrytechnologyoperationmodeisflexibleandeasytooperate.Theequipmentandoperationcostsarelower.Alsoitisaffectedlessbytheclimateandthesiteanditcanobtainhighresolutionremotesensingimagequicklyandefficiently.Itisaneffectivesupplementofaerialphotogrammetry，spaceremotesensingandothertraditionalmethods.ThispaperusesINPHOsoftwaresystemtodealwiththeUAVaerialsurveydatasoastogetthedigitalorthophotomapandaccuracyanalysis.UAVdatacomefromtwoterrainsdistinctfeatures：flatterrainandmountainousterrain.Throughtheresultsofprecisiontestanddiscussion，theconclusionsisthatthetwoDOMresultsmeettherequirementsofaccuracy，andunmannedaerialvehicle（UAV）aerialsurveytechnologyissuitableforengineeringsurveyunderdifferentterrainconditions，suchasmountainsandflats.

KeyWords：INPHO；UAV；DOM；photogrammetricsurvey；aerialtriangulation；precisionanalysis

0引言

數(shù)字正射影像圖（DigitalOrthophotoMap，DOM）是以對航攝像片或遙感影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌，按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集[1]，具有地形圖的幾何精度和影像特征。數(shù)字正射影像圖具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點[2]，可作為地圖分析背景控制信息，也可從中提取自然資源和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史信息或最新信息，為災(zāi)害防治和公共設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等應(yīng)用提供依據(jù)[3]，從中還可提取和派生新的信息，實現(xiàn)地圖的修測更新。文獻(xiàn)[4]在攝影測量所形成的區(qū)域范圍內(nèi)，利用原始影像、定向參數(shù)及DEM，通過數(shù)字投影處理方法，用無縫鑲嵌的數(shù)字正射影像和立體輔助影像形成對攝影區(qū)域范圍內(nèi)無縫立體覆蓋；文獻(xiàn)[5]以無人機(jī)影像為遙感數(shù)據(jù)，生產(chǎn)出高精度的數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），使用面向?qū)ο蟮挠跋裥畔⑻崛〖夹g(shù)和GIS空間分析技術(shù)，對冠幅、樹高、郁閉度、林分密度等森林參數(shù)信息進(jìn)行提取，并結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù)對提取結(jié)果進(jìn)行對比與分析，編制了航空立木材積表；文獻(xiàn)[6]通過試驗證明，低空無人機(jī)遙感能夠快速獲取石油管道中線附近的地形圖，而生成的正射影像完全可以滿足石油勘探對炮點和井位的布設(shè)與選擇；文獻(xiàn)[7]基于無人機(jī)航攝影像及數(shù)據(jù)制作了呼和浩特市回民區(qū)1∶2000正射影像圖，驗證了采用該系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影測量以及無人機(jī)航攝影像、數(shù)據(jù)制作大比例尺正射影像圖的可行性。

云南元謀屬于低緯度、高海拔區(qū)域，地形起伏較大，平均海拔在1500m左右，是云貴高原的組成部分。本文主要分析不同地形條件下的DOM精度問題。首先獲取云南元謀無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)，整理出兩組地形特征明顯的數(shù)據(jù)，如山區(qū)和平地作為測區(qū)，利用Inpho軟件對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出DOM成果，最后驗證兩組數(shù)據(jù)的精度是否符合標(biāo)準(zhǔn)并分析比較兩組數(shù)據(jù)的精度，從而證明無人機(jī)航測在不同地形條件下都能得到很好的應(yīng)用。

1DOM制作原理

DOM采用數(shù)字微分糾正技術(shù)解決投影差的問題，從而將中心投影生成的影像糾正為正射影像[8]。數(shù)字微分糾正是以已知影像的參數(shù)即內(nèi)外方元素與DEM，通過相應(yīng)的構(gòu)象方程式或按一定的數(shù)字模型用控制點解算，從原始非正射投影的數(shù)字影像獲得正射影像。這種過程是將影像化為很多微小的區(qū)域逐一進(jìn)行。數(shù)字微分糾正的基本原理為實現(xiàn)兩個二維圖像之間的幾何變換。

設(shè)任意像元在原始影像與糾正影像中的坐標(biāo)分別為（x，y）、（X，Y），它們之間存在映射關(guān)系如式（1）所示。

通過式（1）求解像素位置，然后進(jìn)行灰度內(nèi)插與賦值運算，實現(xiàn)像素與相應(yīng)地面元素的幾何變換。數(shù)字微分糾正分為直接法數(shù)字微分糾正和間接法數(shù)字微分糾正。本文利用間接法進(jìn)行單元數(shù)字微分糾正，將單片正射影像鑲嵌，在注記地名、整飾公里格網(wǎng)和圖廓后生成DOM。

2基于INPHO軟件的數(shù)字正射影像圖制作

INPHO有基于Windows和Unix的數(shù)字?jǐn)z影測量軟件包，可對不同類型量測相機(jī)的影像快速進(jìn)行區(qū)域空中三角測量、影像匹配和影像糾正[9]。前期從外業(yè)像控點的布設(shè)和聯(lián)測得到的數(shù)據(jù)和無人機(jī)影像圖經(jīng)過簡單預(yù)處理后可導(dǎo)入到Inpho軟件進(jìn)行正射影像圖制作，制作路線如圖1所示。

2.1資料準(zhǔn)備

楚雄市元謀縣地處東經(jīng)101°35′～102°06′、北緯25°23′～26°06′之間，國土面積2021.69km2。由于整個元謀測區(qū)范圍廣泛，本文只采用小范圍的平地測區(qū)和山地測區(qū)為例，利用INPHO軟件進(jìn)行數(shù)字正射影像圖制作。兩個測區(qū)各布設(shè)4條航線如圖2和圖3所示，航向重疊率75%，旁向重疊率50%，航攝比例尺12000，相機(jī)像素大小為4.9μm，每個測區(qū)共有航片48幅。

在數(shù)據(jù)處理前期需要準(zhǔn)備原始像片、相機(jī)文件（包括相機(jī)類型、像幅大小、像素大小、焦距、主點偏移量以及相機(jī)畸變差系數(shù)等）、POS數(shù)據(jù)（影像的初始外方位元素，主要包括序號ID、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、高程Z、Omega角、Phi角、Kappa角）、外業(yè)像控點資料（選擇野外的實地位置和像片的影像位置都可以明確辨認(rèn)的點）。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，需要對影像的文件格式進(jìn)行整理，利用ACDSee軟件將JPG格式的原始像片轉(zhuǎn)換為TIFF格式，利用高斯克呂格投影轉(zhuǎn)換軟件將POS數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成高斯坐標(biāo)，結(jié)合相機(jī)參數(shù)對相片進(jìn)行畸變處理。在攝影機(jī)物鏡畸變改正中，像點坐標(biāo)改正公式如式（2）所示。

2.2新建工程

用UASMaster新建工程后，進(jìn)行相機(jī)文件參數(shù)的設(shè)置、數(shù)碼影像導(dǎo)入、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入、像控點導(dǎo)入、航帶建立。在進(jìn)行相機(jī)參數(shù)設(shè)置時，相機(jī)參數(shù)的填寫應(yīng)遵從相機(jī)檢校報告，因為相機(jī)參數(shù)的設(shè)置將直接影響到航線。導(dǎo)入影像時所需的平均地形高為像控點成果中高程的求和平均值。導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)時，其ID應(yīng)與像片ID保持一致。最后打開多像片測量檢查影像的排列順序以及旋轉(zhuǎn)角度是否合理，如影像的排列順序及旋轉(zhuǎn)角度不合理，進(jìn)入編輯項目的航條就要更改屬性。建好工程后，通過對RGB通道的真彩設(shè)置和圖塊結(jié)構(gòu)執(zhí)行，建立像片金字塔影像，以提高效率且便于后續(xù)連接點匹配。

2.3空三加密

解析空中三角測量指航空攝影測量中利用像片內(nèi)在的幾何特性，在室內(nèi)加密控制點方法[9]。即以像片上測量的像點坐標(biāo)為依據(jù)，利用比較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型，按照最小二乘法原理，用少量地面控制點為評查條件，用數(shù)字電子計算機(jī)解算測圖所需地面控制點的空間坐標(biāo)[10]。該方法具有在不觸及被測量目標(biāo)情況下即可測定其位置和幾何形狀，可快速在大范圍內(nèi)同時進(jìn)行點位測定以節(jié)省野外測量工作量，不受通視條件限制，區(qū)域內(nèi)部精度均勻且不受區(qū)域大小限制的優(yōu)點。解析空中三角測量按數(shù)學(xué)模型可分為航帶法、獨立模型法和光線束法。其中光束法容易引入各種輔助數(shù)據(jù)，理論最嚴(yán)密、解算精度最高，成為應(yīng)用最廣泛的區(qū)域網(wǎng)平差方法[11]。

光束法解析是以一個攝影光束為平差單元，以共線方程為理論基礎(chǔ)建立的誤差方程，滿足全區(qū)域內(nèi)同名光線相交的條件。進(jìn)行全區(qū)域的統(tǒng)一平差，求解各像片的外方位元素和未知點的地面坐標(biāo)[12]。所謂共線方程指中心投影的構(gòu)象方程，即在攝影成像過程中，攝影中心S（Xs，Ys，Zs）、像點a（x，y）及其對應(yīng)的地面點A（X，Y，Z）三點位于一條直線上，如公式（4）所示。

到像主點坐標(biāo)O（x0，y0）的共線條件方程推導(dǎo)公式如公式5所示。

總的來說，空三加密通過采用影像匹配算法在相鄰航片和相鄰航線間建立像片連接點，同時利用共線方程和平差，結(jié)合POS點，可求出航測時的姿態(tài)參數(shù)和拍攝位置，從而得到航片的外方位元素，為影像糾正提供參數(shù)。在空三加密進(jìn)行自動連接點提取與測區(qū)平差時，如果無人機(jī)的導(dǎo)航姿態(tài)精度不高，可以不用IMU選項。自動連接點提取與測區(qū)平差后，查看平差統(tǒng)計，刪除小部分差異很大的粗差。匹配連接點后，在地形查看器中查看影像連接，如果連接點少，則要加連接點，連接點添加前后對比如圖5所示。

在測區(qū)4個角刺4個控制點，平差計算后，預(yù)測剩余的控制點，打開全自動一一刺準(zhǔn)，使控制點快速添加完畢，刺控制點如圖6所示。

對連接點質(zhì)量和控制點殘差進(jìn)行檢查，經(jīng)過調(diào)整滿足精度要求后，可導(dǎo)出并整理精度統(tǒng)計報告。表1為平地測區(qū)的精度報告，表2為山地測區(qū)精度報告。

因為山區(qū)存在特征點少問題，因此控制點要比平地少，但是兩者的精度差距較小。精度報告表明，空三成果滿足1∶2000測圖精度要求[15]。

2.4DEM建立與編輯

利用內(nèi)置高效影像匹配算法，可從各像對相鄰航片中提取同名像點，自動獲得各測區(qū)數(shù)字高程模型DEM，從而為正射影像圖的微分糾正提供改正數(shù)據(jù)。在一定程度上DEM的網(wǎng)格大小決定了計算速度和航片糾正精度，網(wǎng)格的大小設(shè)置須根據(jù)實際情況進(jìn)行[13]。為了獲取DOM數(shù)據(jù)，DEM格網(wǎng)的間隔參數(shù)可用10～20m的格網(wǎng)間隔。利用DEM生成等高線如圖7所示，區(qū)域剖面如圖8所示。

2.5正射影像生成與編輯

正射校正過程需要建立正射影像工程，導(dǎo)入DEM，設(shè)置重疊度、輸出參數(shù)。應(yīng)特別注意的是，在重疊度設(shè)置中，正射影像的重疊度為100%并且裁剪率為0～5%。通過投影差理論可知，投影差與像主點的距離、地物距離和地形高差大小成正比。因此，在選取影像時應(yīng)盡可能選取每張航片靠近像主點，從而得到好的糾正效果[14]。正射校正后，應(yīng)進(jìn)行圖像的拼接勻色處理，需要添加項目數(shù)據(jù)，設(shè)置輸入范圍，影像圖自動拼接完成。如果影像數(shù)據(jù)太大，要分塊輸出。軟件分塊最大輸出為4G，常規(guī)為3.5G左右。最后根據(jù)分幅要求裁切成需要的正射影像圖，不同的測圖軟件需要的數(shù)據(jù)不一樣，所以要根據(jù)測圖軟件導(dǎo)出不同格式的數(shù)據(jù)成果，完成正射影像圖制作，如圖9所示。

3成果分析

生成正射影像成果后，需要對其進(jìn)行精度分析以保證成果的可靠性。通過對山地和平地DOM成果的比較，分析在不同地形中無人機(jī)航測精度的差異。本例中在兩個測區(qū)各選取3個野外控制點作為檢查點，通過外圍像控點進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計算，其精度對比如表3、表4所示。

根據(jù)平面和高程中誤差計算公式，把上面的數(shù)據(jù)帶入公式（6），計算控制點和檢查點的平面中誤差及高程中誤差。

通過表（1）-表（4）的計算，可得平地控制點平面中誤差為0.22m，高程中誤差為0.14m，檢查點平面中誤差為0.307m，高程中誤差為0.169m；山地控制點平面中誤差為0.28m，高程中誤差為0.23m，檢查點平面中誤差為0.311m，高程中誤差為0.207m。結(jié)合表5可得用INPHO制作的DOM滿足精度要求。

4結(jié)語

無人機(jī)航測在小區(qū)域、地形復(fù)雜地區(qū)和快速測量等方面具有優(yōu)勢。數(shù)字正射影像圖具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優(yōu)點，將云南元謀縣平地測區(qū)和山地測區(qū)兩塊無人機(jī)航測數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，通過INPHO軟件制作數(shù)字高程模型，對兩個測區(qū)的精度進(jìn)行分析比較，得出以下結(jié)論：

（1）相較于平地，山地地形起伏較大，地形復(fù)雜，地物特征較少，這增加了控制點的獲取難度和精度分析的準(zhǔn)確性。

（2）INPHO軟件對數(shù)碼影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密，具有高精度、高效率、高自動化的特點，能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)外業(yè)中的粗差點并快速有效地完成空三數(shù)據(jù)處理，提高了作業(yè)效率和精確度。

（3）無人機(jī)數(shù)據(jù)制作的DOM滿足精度要求，可應(yīng)用于山地與平地等不同類型的地形中，與傳統(tǒng)測量手段相比，具有獲取影像機(jī)動靈活、影像分辨率高、成本低等優(yōu)勢。因此，無人機(jī)航測具有很好的發(fā)展前景及應(yīng)用價值。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）