簡單地形地貌區(qū)優(yōu)化無人機航測空三的一種方法

樊鵬昊 姜 泉 尹燕運

(中兵勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

無人機航空攝影測量進行大比例尺地形圖測繪相較于衛(wèi)星遙感、有人飛機搭載航攝儀和人工測量的作業(yè)模式，在較小測區(qū)作業(yè)時具有效率高、反應(yīng)迅速、適應(yīng)不同測區(qū)能力強、成本低、精度高等優(yōu)點，已得到業(yè)界的廣泛應(yīng)用[1-2]。但是在測區(qū)的特定區(qū)域，航攝獲取的影像地形地貌較簡單，特征點不明顯，無法進行有效的特征匹配，空三解算的結(jié)果往往不太理想，需要進行補測。通過分析空三結(jié)果報告，找出地形地貌較簡單的區(qū)域，在滿足測圖比例尺精度的前提下，以盡量減少外業(yè)工作量為原則，通過增加該簡單區(qū)域不同航高不同航向的航攝架次，獲取的多比例尺航攝影像與初次獲取影像進行聯(lián)合空三解算，從而優(yōu)化空三解算精度，得到合格的影像外方位元素數(shù)據(jù)，提高建模和矢量化地形圖精度。

本次試驗測區(qū)位于吉林某山區(qū)，時間為四月下旬，測區(qū)面積約10 km2，廠房、庫房等有人工設(shè)施的地方面積占比很小，樹木還處于沒有發(fā)芽長葉的狀態(tài)，整體色調(diào)和紋理特征單一、類同。航測采用瑞士SenseFly公司生產(chǎn)的eBee Plus全自動測量級無人機進行航空攝影，該機內(nèi)置高靈敏度GNSS接收機，通過配套的eMotion專用飛控軟件進行飛控作業(yè)，采用PPK后處理模式進行空三解算，得到合格的影像外方位元素。通過航測建模軟件Smart3D建立測區(qū)三維模型，導(dǎo)入實景三維測圖軟件DPMapper中進行矢量化地形圖測繪，測繪成果滿足廠區(qū)1∶2000大比例尺地形圖測繪要求，作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 航測地形圖作業(yè)流程圖

1 無人機航空攝影和空三解算

通過在Google Earth上確定航測區(qū)域范圍KML文件，導(dǎo)入eBee Plus無人機飛控軟件eMotion中，在軟件中設(shè)定好航向旁向重疊度、地面采樣率、起飛點和降落點后，該飛控軟件可自動計算出航飛高度、航線間距和相機曝光位置，只需把無人機逆風(fēng)方向拋飛即可按照飛控軟件指令飛行和拍攝影像，作業(yè)任務(wù)完成后自動返航。無人機拋飛作業(yè)前，需要在開闊的地面已知坐標(biāo)點上架設(shè)一臺GNSS接收機，通過同步接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號提供無人機數(shù)據(jù)后處理PPK導(dǎo)航數(shù)據(jù)，結(jié)合無人機搭載的GNSS系統(tǒng)進行后差分改正處理，得到每一張像片的外方位元素。

外業(yè)航測原設(shè)計26條航線，航向和旁向重疊率均設(shè)為80%，飛行4個架次完成外業(yè)影像采集任務(wù)，飛控軟件自動計算的航線如圖2所示。

圖2 設(shè)計航線

外業(yè)影像采集任務(wù)完成后，現(xiàn)場利用PIX4D無人機航測影像處理軟件進行快速無地面控制點空三檢查，對拍攝的影像質(zhì)量和可用性進行檢查，快速檢查影像數(shù)據(jù)拼接情況。經(jīng)過快速檢查，發(fā)現(xiàn)飛行影像拼接成果有漏洞，即所拍影像質(zhì)量不符合要求。通過查看該區(qū)域航測影像，分析漏洞出現(xiàn)原因如下：此次航攝作業(yè)測區(qū)位于吉林某山區(qū)，時間正直早春，測區(qū)除廠房、庫房等有人工設(shè)施的地方，大部分地區(qū)生長的樹木還處于沒有發(fā)芽長葉的狀態(tài)，整體色調(diào)和紋理特征單一、類同，特征點不明顯，相鄰影像無法進行有效的特征點匹配，造成拼接漏洞，航測數(shù)據(jù)無法滿足空三作業(yè)要求，無法得到滿足要求的影像外方位元素數(shù)據(jù)。

2 多比例尺航空影像聯(lián)合空三加密

經(jīng)過分析，漏洞處地形地貌為山區(qū)，人員很難進入設(shè)置連接點，故而采用如下方法進行補測：(1)在漏洞區(qū)域降低飛行高度，增大地面采樣率，增大攝影比例尺，從而提高影像同名特征點匹配精度；(2)在相同漏洞區(qū)域升高飛行高度，增大影像相幅拍攝范圍，減小攝影比例尺，在更大范圍內(nèi)查找地面特征點，增加相鄰影像同名特征點數(shù)量；(3)在相同漏洞區(qū)域按原設(shè)計航高沿與原設(shè)計航線方向正交的航線進行架構(gòu)航線飛行，增加該區(qū)域不同角度的影像，便于特征點的查找和匹配。

在滿足測圖比例尺精度的前提下，以盡量減少外業(yè)工作量為原則，對測區(qū)內(nèi)2處漏洞按照上述補測方案各補測3個架次，補測的6個架次影像數(shù)據(jù)與原先拍攝的4個架次影像數(shù)據(jù)共1757張像片，在PIX4D中進行多航高多比例尺影像聯(lián)合空三快速檢測，得到了全測區(qū)范圍符合要求的航攝地形圖外業(yè)影像資料，空三結(jié)果合格，可以進一步加入地面控制點進行全面高精度處理空三解算。實際影像曝光點位置如圖3所示，空三結(jié)果如圖4所示，測區(qū)中部綠色表示空三解算合格。

圖3 實際影像曝光點位置

圖4 空三解算結(jié)果

3 三維模型矢量化地形圖測繪

把多比例尺航測影像和通過PIX4D全面高精度處理空三解算合格的外方位元素導(dǎo)入Smart3D軟件，加入地面控制點再次進行空三解算，進而建立測區(qū)高精度三維模型，把高精度三維模型導(dǎo)入實景三維測圖軟件DP-Mapper中進行地形圖矢量化數(shù)字測繪，把測區(qū)的線狀、點狀、面狀地形地貌元素和高程點采集完畢，再經(jīng)過CASS數(shù)字化成圖軟件修飾和分幅，得到測區(qū)合格的1∶2000數(shù)字化地形圖。

4 精度分析

在得到測區(qū)1∶2000數(shù)字化地形圖后，通過與廠區(qū)原測量的1∶500地形圖的同名地物點、地形點進行平面高程數(shù)據(jù)對比，檢查結(jié)果對比如表1所示，經(jīng)計算得到其點位坐標(biāo)平均中誤差為±18 cm，高程平均中誤差為±11 cm，均符合規(guī)范精度要求。

表1 特征點檢查精度統(tǒng)計表 m

5 結(jié)論

對無人機在簡單地形地貌情況下航測空三解算出現(xiàn)漏洞的現(xiàn)象進行多比例尺影像補測，通過補測一組原設(shè)計航高的架構(gòu)航線、一組低于設(shè)計航高的影像、一組高于設(shè)計航高的影像，可以有效優(yōu)化空三結(jié)果，得到滿足大比例尺無人機航測地形圖精度要求的外業(yè)航測數(shù)據(jù)和影像外方位元素數(shù)據(jù)。再利用建模軟件得到測區(qū)真實三維模型和點云數(shù)據(jù)，通過矢量化測圖軟件對三維模型進行矢量化測圖，即可得到滿足大比例尺地形圖精度要求的成果文件。