基于無(wú)人機(jī)航攝影像的數(shù)字線(xiàn)劃圖生成方法

成李博,段平,李佳,姚永祥,李晨,王云川

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650500; 2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500; 3.云南省地理空間信息工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著數(shù)字城市的發(fā)展,城市的規(guī)劃建設(shè)管理已向精細(xì)化、可視化、動(dòng)態(tài)化轉(zhuǎn)變,傳統(tǒng)的模擬產(chǎn)品已不能滿(mǎn)足城市快速發(fā)展的建設(shè)需求. 數(shù)字線(xiàn)劃圖(DLG)具有各類(lèi)地物的屬性信息和空間關(guān)系,是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果的主要組成部分,在國(guó)家地籍測(cè)量、重大自然資源規(guī)劃整合、城市基礎(chǔ)信息完善等方面有著重要的生產(chǎn)價(jià)值和意義.

傳統(tǒng)手段生產(chǎn)DLG產(chǎn)品,因數(shù)據(jù)源種類(lèi)多樣[1-5],使得DLG的生產(chǎn)方式差異較大[6-7];DLG產(chǎn)品應(yīng)用的多元化[8-10],且生產(chǎn)方法的多樣化[11-13],導(dǎo)致DLG產(chǎn)品制作方法的復(fù)雜性. 國(guó)家和地區(qū)也制定了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量把關(guān)[14]. 在現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展中,城市樣貌改變快速,各類(lèi)地物層出不窮;加之農(nóng)田、植被邊界線(xiàn)的快速更新,需要一種既能快速獲取地表事物的屬性特征,又不浪費(fèi)大量人力和物力的DLG制作方法.

遙感影像是一種便捷的輔助手段,尤其是高分辨率遙感影像. 無(wú)人機(jī)搭載傳感器獲取地面低空高分辨率航攝影像,受環(huán)境因素影響低,作業(yè)范圍廣,很少穿過(guò)云層,影像質(zhì)量高,更新速度快,為多樣化生產(chǎn)DLG產(chǎn)品提供了可能. 無(wú)人機(jī)分別搭載單、多鏡頭進(jìn)行航空作業(yè),從不同角度獲取地物表面紋理信息,同時(shí)生成正射影像、三維模型等數(shù)字化產(chǎn)品,為DLG的生產(chǎn)提供了高分辨率信息數(shù)據(jù). 本文利用無(wú)人機(jī)獲取的低空航攝影像生產(chǎn)實(shí)景三維模型,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DLG產(chǎn)品的生產(chǎn).

1 無(wú)人機(jī)影像獲取與預(yù)處理

將通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)的航攝影像作為數(shù)據(jù)源,生產(chǎn)1∶500比例尺DLG. 該校區(qū)中心位于24°51'59"N,102°50'58"E,平均海拔1900 m,總面積1.43 km2;所處地區(qū)氣溫變化較小,遠(yuǎn)離市中心. 該區(qū)域囊括了各種基本地物,具有普遍代表性. 本研究綜合氣候條件、地形位置等因素,選取9：00-14：00作為數(shù)據(jù)采集最佳時(shí)間點(diǎn),利用校區(qū)內(nèi)空曠場(chǎng)所作為飛行場(chǎng)地. 研究區(qū)域如圖1所示.

圖1 研究區(qū)域圖

1.1 影像獲取

飛行穩(wěn)定性和相機(jī)分辨率等因素影響影像獲取的質(zhì)量. 本研究采用哈瓦四軸八旋翼MEGA-V8Ⅱ無(wú)人機(jī),搭載SONY ILCE-5100五鏡頭數(shù)碼相機(jī),作為影像采集設(shè)備. 表1為無(wú)人機(jī)搭載的五鏡頭相機(jī)傳感器參數(shù).

表1 相機(jī)參數(shù)表

飛行前采用徠卡GPS RTK共布設(shè)36個(gè)控制點(diǎn),部分點(diǎn)作為空中三角測(cè)量計(jì)算的加密點(diǎn)和檢查點(diǎn). 根據(jù)“低空數(shù)字航攝影像規(guī)范”,為保證飛行質(zhì)量,規(guī)定:航向重疊度60%～80%,最低不應(yīng)低于53%;旁向重疊度15%～60%,最低不能低于8%. 實(shí)驗(yàn)共飛行5個(gè)架次,46條航線(xiàn),飛行航向東南-西北,獲得航攝影像13 025幅;影像航向重疊度85%,旁向重疊度75%,達(dá)到重疊度要求;相對(duì)航高150 m,影像分辨率達(dá)2.9 cm. 航空攝影規(guī)范要求:攝影比例尺在1∶2000到1∶3000之間,成圖比例尺為1∶500時(shí)地面分辨率≤5 cm. 地面分辨率符合規(guī)范要求,其余項(xiàng)也均符合作業(yè)要求.

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

將采集到的航攝影像進(jìn)行預(yù)處理. 受大氣折射、地形起伏、曝光度等因素的影響,使得航攝影像存在小幅度畸變和光線(xiàn)反差. 在使用時(shí),通常做影像勻光和增強(qiáng)處理、畸變差校正. 系統(tǒng)誤差可由相機(jī)自帶參數(shù)校正;對(duì)POS數(shù)據(jù)也做糾正處理,得到質(zhì)量較好的初始化外方位元素,作為同名點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ),同時(shí)將POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到投影坐標(biāo)系,坐標(biāo)投影帶為:WGS_84_UTM_Zone_48N.

2 實(shí)景三維模型

2.1 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是確定測(cè)態(tài),從而獲得整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo). 依據(jù)提供的控制點(diǎn)和像片定向參數(shù),確定測(cè)區(qū)所有影像的外方位元素,從而求出測(cè)區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)和高程. 其核心步驟包括:空中三角測(cè)量、生成稀疏點(diǎn)云、密集匹配和數(shù)字表面模型(DSM)重構(gòu). 首先,通過(guò)影像特征匹配提取得到的連接點(diǎn)和地面控制點(diǎn),將影像相對(duì)坐標(biāo)納入到地面絕對(duì)坐標(biāo)系下,得到三維稀疏點(diǎn)云;然后,經(jīng)過(guò)密集匹配算法加密稀疏點(diǎn)云,得到稠密點(diǎn)云;接著,通過(guò)反距離加權(quán)插值生成DSM;對(duì)生成的較粗糙的DSM濾波和表面平滑得到精細(xì)化DSM;最后,對(duì)DSM進(jìn)行紋理映射生成實(shí)景三維模型.

DGPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)(通稱(chēng)POS系統(tǒng))能獲取影像的空間位置和姿態(tài),即POS數(shù)據(jù). 將POS數(shù)據(jù)作為初始外方位元素,為立體像對(duì)同名點(diǎn)識(shí)別提供基礎(chǔ),在利用ContextCapture軟件做無(wú)控制點(diǎn)自由網(wǎng)平差后,添加少許控制點(diǎn),與區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行再次迭代平差,獲得更高精度的影像外方位元素,生產(chǎn)高質(zhì)量的空中三角測(cè)量結(jié)果.

區(qū)域網(wǎng)迭代平差采用光束法平差原理. 光束法區(qū)域網(wǎng)平差是利用像點(diǎn)、物點(diǎn)和投影中心三點(diǎn)共線(xiàn),構(gòu)建方程組進(jìn)行求解. 平差方程如下:

(1)

式中:(x、y)為像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo);(X、Y、Z)為像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo);f為像片主距;(Xs、Ys、Zs)為外方位元素;(a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3)為外方位元素對(duì)應(yīng)的方向余弦.

利用n個(gè)誤差方程組成法方程進(jìn)行法化答解,求解待定地面點(diǎn). 平差過(guò)程中添加影像畸變參數(shù). 首先進(jìn)行無(wú)控制的自由網(wǎng)區(qū)域平差;然后在區(qū)域周邊布設(shè)少量控制點(diǎn),再逐一加點(diǎn),進(jìn)行控制自由網(wǎng)平差. 每?jī)纱纹讲钪g檢查平差結(jié)果,查看模型連接點(diǎn)分布,如果有漏洞,進(jìn)行手工量測(cè)填補(bǔ),直到相對(duì)定向、檢查點(diǎn)和控制點(diǎn)誤差符合“GBT 23236-2009 數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范”要求,并停止平差. 選取實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)的36個(gè)控制點(diǎn)中的7個(gè)控制點(diǎn),完成了航空攝影計(jì)算的精度要求.

2.2 實(shí)景三維模型構(gòu)建

基于數(shù)字表面模型生成實(shí)景三維模型. 數(shù)字表面模型的實(shí)質(zhì)是,對(duì)立體模型進(jìn)行同名像點(diǎn)密集匹配生成稠密點(diǎn)云,再對(duì)點(diǎn)云插值進(jìn)行構(gòu)建. 通常數(shù)字表面模型中存在路燈漂浮、水面起伏等現(xiàn)象,需進(jìn)行濾波處理,刪除不用點(diǎn),壓平水面起伏點(diǎn),生成真實(shí)的表面模型. 依據(jù)投影中心、像片紋理、DSM三點(diǎn)一線(xiàn),將像片上的紋理信息映射到DSM對(duì)應(yīng)網(wǎng)格上,實(shí)現(xiàn)紋理映射[15],生成與實(shí)際一致外觀(guān)的實(shí)景三維模型.

3 DLG生產(chǎn)

依據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)DLG主要有三種方法:1)借助正射影像采集. 將正射影像作為底圖,按照比例尺要求選擇性地采集地物、地貌等地理要素,直接量測(cè),操作簡(jiǎn)單,但對(duì)于較復(fù)雜地物,正射影像只能觀(guān)測(cè)地物頂部信息,使其應(yīng)用較單一;2)立體測(cè)圖. 將影像配對(duì)成立體模型,通過(guò)佩戴立體眼鏡,在立體模型上進(jìn)行要素采集,可進(jìn)行全方面觀(guān)測(cè),精度較高,但要求影像間具有較高重疊度,且處理速度較慢;3)實(shí)景三維模型測(cè)圖. 三維測(cè)圖分為點(diǎn)云三維測(cè)圖、垂直攝影三維測(cè)圖、傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型測(cè)圖,三種模塊是根據(jù)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行地理要素采集,目前實(shí)景三維模型測(cè)圖是生產(chǎn)效率、精度最高的方法. 在構(gòu)建的實(shí)景三維模型基礎(chǔ)上利用清華山維EPS軟件進(jìn)行DLG生產(chǎn),過(guò)程如下:

1)標(biāo)準(zhǔn)制定:應(yīng)對(duì)不同生產(chǎn)要求和生產(chǎn)目的,制定生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn). 圖幅根據(jù)要素實(shí)際大小與分辨率的不同進(jìn)行選擇. 生產(chǎn)類(lèi)型分為:地籍、土地、地形.

2)三維測(cè)圖:采用裸眼測(cè)圖方法,沿地物邊界輪廓線(xiàn)進(jìn)行全方位數(shù)字化綜合測(cè)圖,如圖2所示.

3)地籍要素:要素類(lèi)型充斥結(jié)果底圖,體現(xiàn)地形地貌. 云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)囊括幾十種地物類(lèi)型,根據(jù)地物屬性不同,綜合繪制地物、地貌. 同時(shí),地籍要素是圖例的主要內(nèi)容.

4)屬性體現(xiàn):二維底圖只體現(xiàn)地物要素頂部信息,較復(fù)雜的地物類(lèi)型在測(cè)量過(guò)程中難以辨認(rèn). 利用三維聯(lián)動(dòng)方法查看真實(shí)地物類(lèi)型,靈活生產(chǎn)地物,編輯地物屬性. 需注意的是,聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)后的地物要素底部輪廓要與實(shí)際相同,且保證復(fù)雜地物頂部正射輪廓完整.

5)全局關(guān)聯(lián):完成地物類(lèi)型采集,須全局檢查,是否有漏洞和超規(guī)定分辨率采集. 完成的地物信息應(yīng)包括1∶500比例尺下的所有地物信息,例如:植被,水體,建筑物,道路,圍欄等.

6)制圖:在規(guī)定比例尺下制圖. 添加標(biāo)題、圖例、比例尺、指南針等基本制圖要素,必要情況下可添加相關(guān)標(biāo)注信息.

(a)局部DLG (b)局部實(shí)景三維模型圖2 實(shí)景三維模型測(cè)圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

無(wú)人機(jī)搭載高分辨率航空攝影相機(jī)采集低空航攝影像,將采集到的POS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、航攝影像、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,同時(shí)做空中三角測(cè)量解算構(gòu)建實(shí)景三維模型,結(jié)合測(cè)圖軟件生產(chǎn)DLG產(chǎn)品. 為進(jìn)一步確認(rèn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的精確性,對(duì)空中三角測(cè)量結(jié)果和實(shí)景三維模型做精度驗(yàn)證,同時(shí)檢查DLG產(chǎn)品精度. 實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)流程圖

4.1 空中三角測(cè)量精度分析

高質(zhì)量的空中三角測(cè)量精度保證了實(shí)景三維模型的可靠結(jié)果. 空中三角測(cè)量質(zhì)量的檢查旨在利用平面和高程檢查點(diǎn),對(duì)平差結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn). 將檢查點(diǎn)在x、y、z軸方向的最大誤差分別記為:x、y、z,將平面最大均方根誤差記為:RMS_H,高程最大均方根誤差記為:RMS_V. 五個(gè)誤差指標(biāo)結(jié)果如表2所示.

表2 空中三角測(cè)量加密精度表

由表3可知,x、y、z軸方向的最大誤差值分別為0.082 m、0.147 m、0.002 m;RMS_H為0.043 m,RMS_V為0.009 m. 除了y軸方向上最大指標(biāo)大于10 cm外,x、z方向上的最大誤差均小于10 cm.z和RMS_V達(dá)到毫米級(jí). 7個(gè)檢查點(diǎn)處的指標(biāo)均達(dá)到GBT 23236-2009 數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范中的規(guī)范要求. 通過(guò)分析,采用POS輔助空中三角測(cè)量,在添加少量控制點(diǎn)的情況下使得空中三角測(cè)量計(jì)算結(jié)果達(dá)到要求,可應(yīng)用生成實(shí)景三維模型.

4.2 實(shí)景三維模型精度分析

DLG的質(zhì)量取決于實(shí)景三維模型的精度. 基于上述空中三角測(cè)量結(jié)果生成實(shí)景三維模型.為進(jìn)一步確定其模型精度,采用點(diǎn)位誤差和實(shí)景三維模型完整度兩方面進(jìn)行精度驗(yàn)證. 通過(guò)選取36個(gè)控制點(diǎn)中除去空中三角測(cè)量所用的7個(gè)點(diǎn)外的6個(gè)量測(cè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證. 實(shí)驗(yàn)量測(cè)點(diǎn)使用徠卡GPS RTK儀器獲取,將坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換到WGS84_UTM_48N投影帶,并進(jìn)行點(diǎn)位誤差驗(yàn)證. 結(jié)果如表3所示.x軸方向的點(diǎn)位誤差為0.007 m,y軸方向的點(diǎn)位誤差為0.009 m,z軸方向的點(diǎn)位誤差為0.012 m,整體點(diǎn)位誤差為0.016 m. 紋理細(xì)節(jié)較完整,且?guī)缀巫冃涡　⒓y理缺失少,模型復(fù)雜度較高．點(diǎn)位誤差表達(dá)式如下:

(2)

式中：μx、μy和μz表示實(shí)測(cè)點(diǎn)在x、y和z方向上點(diǎn)位誤差;(xRTK,yRTK,zRTK)和(x,y,z)分別表示控制點(diǎn)的實(shí)際投影坐標(biāo)與控制點(diǎn)在模型中的實(shí)測(cè)坐標(biāo);n表示量測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù);M表示整體點(diǎn)位誤差.

表3 點(diǎn)位誤差

4.3 DLG精度檢查

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法包括:數(shù)據(jù)合法性檢查、測(cè)點(diǎn)精度檢查、測(cè)邊精度檢查. 對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查,通過(guò)觀(guān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和邏輯分析檢查數(shù)據(jù)中存在的錯(cuò)誤,方可將生產(chǎn)結(jié)果應(yīng)用到其他產(chǎn)業(yè)上去. 通常用空間位置、拓?fù)潢P(guān)系和屬性數(shù)據(jù)來(lái)描述地理數(shù)據(jù)和地理現(xiàn)象. 數(shù)據(jù)合法性檢查涵蓋了這三方面內(nèi)容,重點(diǎn)從數(shù)據(jù)合法性檢查方面對(duì)DLG進(jìn)行精度檢查,其檢查內(nèi)容包括:

1)空間邏輯檢查

a.通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,檢查對(duì)象是否存在重復(fù)、交叉、圖形接邊等問(wèn)題. 重疊地物檢查:檢查圖中地物編碼、圖層、位置等相同的重復(fù)對(duì)象;交叉檢查:包括自交叉和互交叉. 前者主要檢查地物自相交的錯(cuò)誤性,后者檢查點(diǎn)、線(xiàn)、面地物互相交叉或包含的錯(cuò)誤性;圖形接邊:控制圖形范圍.

b.通過(guò)拓?fù)涮幚?檢查懸掛點(diǎn)、閉合、有面無(wú)屬性點(diǎn)、有屬性點(diǎn)無(wú)拓?fù)涿妗Ⅻc(diǎn)符號(hào)與范圍線(xiàn)一致性、圖面注記與屬性表值一致性,圖塊與圖幅一致性,房屋面積等錯(cuò)誤.

2) 編碼和屬性檢查

檢查編碼長(zhǎng)度、無(wú)對(duì)照編碼、屬性層中非屬性編碼等各對(duì)象編碼的合法性. 根據(jù)編碼表、注記分類(lèi)表、用戶(hù)層表、屬性結(jié)構(gòu)表和數(shù)據(jù)字典等規(guī)則,檢查對(duì)象的編碼合法性、放置層合法性、屬性字段的大小和字段內(nèi)容的合理性,尤其要注意編碼的正確性與合法性,防止出現(xiàn)屬性外地物.

為進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)的精度,須進(jìn)行完整性檢驗(yàn).到實(shí)地考察,檢查是否有地物遺漏,盡量排除因遮蔽導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失,按照1∶500DLG規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)生產(chǎn). 如圖4為云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)DLG產(chǎn)品圖,圖5為局部地方放大圖.

圖4 云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)DLG

(a)圖書(shū)館 (b)匯學(xué)三棟圖5 云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)局部區(qū)域的DLG

5 結(jié) 論

本文探究了一種基于無(wú)人機(jī)航攝影像的DLG快速制作方法,避免了基于多源數(shù)據(jù)的DLG制作方法的復(fù)雜性. 以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)為例,利用無(wú)人機(jī)采集的航攝影像,構(gòu)建實(shí)景三維模型,進(jìn)而生產(chǎn)制作DLG,通過(guò)對(duì)空中三角測(cè)量、實(shí)景三維模型、DLG產(chǎn)品精度等多方面檢驗(yàn),證明了該方法的可行性.