航空攝影測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量在大比例尺地形測(cè)量中的精度研究

林善志

(湖南省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，特別是大中城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的完成，大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性問(wèn)題已成為用戶關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。大比例尺地形圖的傳統(tǒng)測(cè)繪主要采用全站儀、GPS-RTK等測(cè)量設(shè)備，測(cè)量技術(shù)人員需要進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，野外工作周期長(zhǎng)，效率低，且受到天氣和實(shí)際地理環(huán)境的限制，無(wú)法快速高效滿足用戶對(duì)大比例尺地形圖數(shù)據(jù)提出的“持續(xù)更新”的要求。目前，大比例尺地形圖測(cè)繪應(yīng)用了先進(jìn)的數(shù)字航空攝影測(cè)量技術(shù)，在該領(lǐng)域中無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)有了較大的發(fā)展。無(wú)人機(jī)航測(cè)作為對(duì)信息數(shù)據(jù)采集的一種方式，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及更新技術(shù)手段相比，其擁有對(duì)天氣的適應(yīng)性強(qiáng)、拍攝成圖精度高、同時(shí)間內(nèi)無(wú)人機(jī)拍攝覆蓋面大、拍攝成本低等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了傳統(tǒng)大比例尺地形圖測(cè)繪面臨的困難。航測(cè)也逐漸成為了大比例尺地形圖測(cè)繪的主要技術(shù)手段。

1 無(wú)人機(jī)作業(yè)流程

1.1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)介紹

大疆精靈Phantom 4 RTK是一款面向低空攝影測(cè)量的小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，提供厘米級(jí)導(dǎo)航定位和高性能成像系統(tǒng)、相機(jī)微秒級(jí)同步、app航線規(guī)劃等功能，便攜易用，全面提升航測(cè)效率。其基本構(gòu)成包括：無(wú)人機(jī)飛行云臺(tái)、飛行導(dǎo)航和控制系統(tǒng)、GS Pro地面監(jiān)控系統(tǒng)以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.2 影像處理

將獲取的航片影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)在RTK和PPK模式下，結(jié)合PIX4D軟件處理，對(duì)POS進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系。匹配已知的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)和準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)自動(dòng)完成影像定向、空三加密，實(shí)現(xiàn)免像控影像自動(dòng)鑲嵌和拼接處理，從而獲取高精度的DEM和高質(zhì)量的DOM 數(shù)據(jù)。

1.3 地形圖測(cè)繪

利用PIX4D軟件處理，生成tif格式的正射影像數(shù)據(jù)和osgb格式的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。在EPSD2D三維測(cè)圖軟件上加載DSM傾斜模型，進(jìn)行三維測(cè)圖采集工作，主要有房屋及構(gòu)筑物、鄉(xiāng)村道路、河流及橋梁、桿線、溝渠、地類范圍等可以辨認(rèn)的各類地物；進(jìn)行高程點(diǎn)的提取。導(dǎo)出Cass格式數(shù)據(jù)文件，利用CAD成圖軟件進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、高程點(diǎn)過(guò)濾、繪制等高線、修飾圖幅等工作。

2 成圖精度影響因素分析

2.1 航測(cè)法成圖

(1)POS數(shù)據(jù)精度。飛機(jī)姿態(tài)控制、動(dòng)態(tài)差分定位精度以及后期的航測(cè)數(shù)據(jù)處理精度對(duì)成圖起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。若遇到地形起伏變化較大、植被復(fù)雜地區(qū)需要增加地面控制點(diǎn)的數(shù)量，以提高測(cè)區(qū)成圖精度。

(2)影像質(zhì)量。影響影像質(zhì)量的有天氣因素和相機(jī)本身。相機(jī)的像素大小與所選取的相機(jī)有關(guān)，而曝光時(shí)間的選取和天氣有著密切的關(guān)系，光線條件較差時(shí)，增加曝光時(shí)間會(huì)達(dá)到較好的效果。

(3)重疊率。重疊率是提高相片連接點(diǎn)的重要保障，重疊率的調(diào)整要根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間和飛行區(qū)域而定。重疊率低，可能會(huì)導(dǎo)致每個(gè)地物點(diǎn)僅會(huì)在少量航片中顯現(xiàn)，提取的連接點(diǎn)也會(huì)變少，將導(dǎo)致飛機(jī)的照片連接粗糙，直接影響后期數(shù)據(jù)處理的精度。

(4)飛行高度。飛行高度主要對(duì)飛行航片中的GSD有影響，飛行高度的變化必然會(huì)影響航片相幅的大小。具體作業(yè)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際地貌地形，綜合考慮相片分辨率、測(cè)量精度及比例尺選擇合適合理的飛行高度。

2.2 傳統(tǒng)測(cè)量方法成圖

傳統(tǒng)測(cè)量方法主要包括全站儀和RTK等測(cè)量設(shè)備野外實(shí)測(cè)，內(nèi)業(yè)處理成圖。RTK精度與接收機(jī)、信號(hào)傳播路徑，衛(wèi)星有關(guān)的誤差、基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈、流動(dòng)站、數(shù)據(jù)處理等因素影響有關(guān)，外業(yè)實(shí)測(cè)對(duì)作業(yè)環(huán)境要求高，需視野開(kāi)闊；全站儀精度受儀器參數(shù)設(shè)置、觀測(cè)誤差、觀察環(huán)境等因素影響，野外實(shí)測(cè)要求通視條件好，且有累積誤差。

3 試驗(yàn)

為與傳統(tǒng)測(cè)量方法成圖精度進(jìn)行對(duì)比分析，決定對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行1∶500地形圖采用低空無(wú)人機(jī)免像控測(cè)量技術(shù)與外業(yè)檢核相結(jié)合的方法進(jìn)行地形圖測(cè)繪。測(cè)區(qū)位于長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)某區(qū)域，測(cè)區(qū)范圍約為1.4 km2。此處為鄉(xiāng)村的小型住宅區(qū)，地形平緩，區(qū)域主要以房子、農(nóng)田菜地為主，道路貫穿整個(gè)測(cè)區(qū)。具體作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

3.1 航空攝影情況

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)形狀大小以及無(wú)人機(jī)有效航攝面積，只設(shè)1個(gè)航攝分區(qū)。

(1)航前檢查。為保證任務(wù)的順利進(jìn)行，起飛前結(jié)合航飛自控系統(tǒng)重新對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行IMU校準(zhǔn)，確保飛機(jī)的GPS、失控行為設(shè)置、羅盤、返航高度、避障雷達(dá)、預(yù)警電池電量及安全返航電量閾值、空速管及其俯仰翻滾等狀態(tài)良好，避免在航拍中危險(xiǎn)情況的發(fā)生。還需檢查測(cè)區(qū)范圍內(nèi)是否存在高大建筑，預(yù)測(cè)高大建筑物高度，以便設(shè)定合適航高。

(2)航線設(shè)計(jì)。在GS PRO中，設(shè)置了飛行航線規(guī)劃和飛行參數(shù)。其中，航向重疊率為80%，旁向重疊率為80%，飛行高度120 m，航攝影像地面分辨率為35 mm。

(3)航飛監(jiān)控。劃定區(qū)域，設(shè)置了飛行高度、速度、重復(fù)率、調(diào)整邊距等相關(guān)的參數(shù)，實(shí)時(shí)掌握飛機(jī)的姿態(tài)、位置、方位、即時(shí)風(fēng)速風(fēng)向等重要狀態(tài)，便于操作人員實(shí)時(shí)了解任務(wù)的執(zhí)行情況，確保航飛任務(wù)的安全。飛機(jī)自動(dòng)起飛，航測(cè)結(jié)束或電池電量過(guò)低后會(huì)自動(dòng)返航。

3.2 影像處理及DLG制作

航拍任務(wù)完成后，利用轉(zhuǎn)換過(guò)的靜態(tài)數(shù)據(jù)以及航測(cè)影像在UBase軟件中進(jìn)行PPK解算并導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)；結(jié)合PIX4D軟件處理獲取高精度的DEM、DOM數(shù)據(jù)，DOM成果如圖2所示。通過(guò)DOM數(shù)據(jù)以及野外調(diào)繪，完成DLG數(shù)據(jù)成果，如圖3所示。

3.3 地形圖精度分析

依據(jù)《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 18316-2008)規(guī)范規(guī)定，采用全數(shù)檢查的方式，利用傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)大疆精靈Phantom 4 RTK免像控航測(cè)攝影實(shí)景地形圖檢驗(yàn)。

利用全站儀和基于CORS系統(tǒng)的RTK測(cè)量技術(shù)聯(lián)合測(cè)量的地形圖，實(shí)地精確測(cè)量選取測(cè)區(qū)860個(gè)地形地物特征點(diǎn)。其中，平面地物特征點(diǎn)主要選取比較明顯、便于觀測(cè)的點(diǎn)，包括房子墻體拐角、道路交叉點(diǎn)、溝渠邊界、獨(dú)立地物中心點(diǎn)等，高程檢查點(diǎn)選擇水泥道路開(kāi)闊中心點(diǎn)等。運(yùn)用DLG立體采集，參照外業(yè)實(shí)測(cè)的特征點(diǎn)位的位置，內(nèi)業(yè)采集模型每個(gè)特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)、高程值，比較每一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用均方根誤差(RMSE)對(duì)研究輸出的平面度和垂直精度進(jìn)行評(píng)估平差，統(tǒng)計(jì)出兩種測(cè)量方法對(duì)地形圖建筑物、道路邊界的特征點(diǎn)的平面精度中誤差為0.055 m，高程精度中誤差為0.045 m。

圖2 試驗(yàn)區(qū)DOM

圖3 試驗(yàn)區(qū)DLG

根據(jù)《數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評(píng)定》(GB/T 18316—2008)和本次測(cè)量的結(jié)果比較可以得出，傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)圖特征點(diǎn)精度高，但全站儀測(cè)量房屋等特征點(diǎn)需要轉(zhuǎn)站，存在誤差累積，效率低，整體測(cè)圖的精度不高；利用無(wú)人機(jī)航測(cè)所得到的測(cè)量成果整體精度高。因此，應(yīng)用大疆精靈Phantom 4 RTK攝影系統(tǒng)解決方案制作的地形圖，平面精度整體上可以滿足1∶500線劃圖的生產(chǎn)，部分建筑物遮擋區(qū)域需要外業(yè)調(diào)繪，高程由于基準(zhǔn)的不同存在一個(gè)常數(shù)差。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)憑借快速高效、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮了完全不需要人工操作的特點(diǎn)(規(guī)劃好區(qū)域后飛機(jī)會(huì)自動(dòng)起飛，自動(dòng)測(cè)繪，自動(dòng)返航降落)，提升了大比例尺地形圖成圖效率與精度。通過(guò)實(shí)地應(yīng)用，與傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取成果進(jìn)行精度分析，盡管航空攝影測(cè)量個(gè)別特征點(diǎn)精度不高，但整體精度符合測(cè)圖要求，縮短了作業(yè)周期，降低了作業(yè)難度和成本。預(yù)見(jiàn)其在今后的生產(chǎn)建設(shè)和應(yīng)急測(cè)繪領(lǐng)域，將會(huì)帶來(lái)顛覆性的革新。