無人機航空攝影及正射影像制作技術實踐

楊志強

（甘肅煤田地質局綜合普查隊，甘肅 天水 741002）

以往傳統(tǒng)攝影測量只能進行二維空間構建及繪制，隨著測繪技術的發(fā)展，利用傳感器從三維場景來反應真實環(huán)境的攝影技術被逐漸推廣應用。利用無人機進行航空攝像，并將采集的影像數(shù)據通過建立三維空間模型，這一技術的興起被廣泛的應用于地形圖測繪、城市規(guī)劃、工程測繪及文物保護等方面，例如管文晉（2019）將無人機傾斜攝影技術應用于礦山測繪中，并實踐驗證了該技術能充分滿足礦山測繪基本要求[1]；劉兆慧等（2019）針對以往全站儀采集和測量土石方工程任務繁瑣耗時較長的問題，采用無人機傾斜測量技術計算土石方量，結果驗證了這一技術具有計算準確、效率較高的優(yōu)勢[2]；孫杰等（2019）分析了各類無人機飛行平臺的技術特點，設計了多種傾斜攝影技術方案，研發(fā)出了多種規(guī)格型號無人機傾斜攝影設備[3]；金輝（2019）利用無人機傾斜攝影技術在地質災害區(qū)域進行可視化，為安全隱患排除和救援工作提供便利[4]。對于無人機傾斜攝影測量技術方法方面，國內外工作者進行了大量的研究及實踐，對于正射影像制作及航拍設計方面，實踐案例相比較少[5-7]。本文以額濟納旗無人機航空攝影及正攝影像制作技術為案例，收集額濟納旗已有地形資料，并通過實地踏勘，進行了無人機航飛以及正射影像的制作，為正攝影像測量技術提供借鑒。

1 測區(qū)范圍及自然地理概況

額濟納旗地處祖國北疆，位于內蒙古自治區(qū)最西端，東與阿拉善右旗毗鄰，西南與甘肅省酒泉市交界，北與蒙古國接壤，國境線全長507.147公里。全旗現(xiàn)轄3個鎮(zhèn)、5個蘇木、19個嘎查村，總面積11.46萬km2，約占全區(qū)總面積的十分之一。居住著蒙、漢、回、藏等9個民族3.3萬余人，是一個以蒙古族為主體的邊境多民族聚居旗。歷史悠久的額濟納旗，早在原始社會就有人類活動，堪稱東西石器文化的連接點。

2 設計方案

2.1 投入的儀器設備

航空攝影設備：LTBT-測繪鷹航測遙感無人機平臺（最小失速速度：50km/h、續(xù)航時間：3h、最小起降距離：50m、有效任務載荷：5kg）、佳能尼康 D800相機 （像幅為7360*4912、6300萬像素、像素大小4.88微米、焦距長度7367.37像素）、飛思P65+相機（像幅為8984*6732、6000萬像素、像素大小6微米、焦距長度5959.46像素），地面控制系統(tǒng)、GPS導航系統(tǒng)。圖形工作站，空三加密軟件PixelGrid，pixel4Dmapper，勻色軟件OrthoMosaic，裁圖軟件GlobalMapper，圖像處理軟件Photoshop。

2.2 航飛計劃

設計用圖的選擇：選擇1：1萬比例尺地形圖作為航攝設計用圖。

攝影比例尺：航攝比例尺根據農村土地承包經營確權1：2000比例尺的特點，結合攝區(qū)的地形條件，設定地面分辨率保持0.1m。

攝影航線布設：額濟納旗達來呼布鎮(zhèn)航飛分區(qū)圖和航線布設圖如圖1所示。

圖1 航線布設圖

2.3 像片控制測量

根據測區(qū)地形特點和航攝計劃情況，本測區(qū)像控點采用航線布點法，就是在每條航線上平均隔6條基線跨度布設一個平高點。

像控點盡量選在道路行車線、斑馬線、花臺角、影像小于0.2mm的點狀地物中心等明顯的地方；若確無明顯地方，可分開布設平面、高程控制點，一般不要選在房角、有草叢的田埂、有弧度的田角等，當布設的點高于地面時，還應提供該點至地面的比高。

2.4 數(shù)據檢查

航空攝影成果質量檢查采用內業(yè)程序檢查配合人機交互檢查的方法，外業(yè)檢查只對樣品的實際精度進行了檢測，檢測時采用蒼穹GPS-RTK接收機，依托GPS CORS平臺，在實地測量正射影像圖上同名點的坐標，后與正射影像圖的坐標進行比對得其誤差值。

3 技術實施

3.1 像控點測量

根據測區(qū)地形特征和航攝資料情況，本測區(qū)采用平高區(qū)域網單航帶雙模型布網，用CORS連續(xù)運行基準站，作為像控點測量工作的起算數(shù)據。共完成22個像控點測量。平均900m一個像控點。如圖2所示。

圖2 額濟納旗像控點分布圖

3.2 航測內業(yè)數(shù)據生成

1）根據現(xiàn)行國家法規(guī)、標準和規(guī)范精度要求，對航空影像和外業(yè)控制點資料進行分析，確認其可以滿足空三加密作業(yè)要求，進而合理劃分加密分區(qū)，編制加密計劃。

2）按編制的加密計劃，開始建立相應的加密分區(qū)工程；設置測區(qū)基本參數(shù)，建立相機文件、控制點文件。

3）按加密分區(qū)建立測區(qū)影像航線列表，對原始影像進行畸變差改正。

4）內定向：采用全自動內定向。

5）添加相鄰航線間的偏移點（即航帶間連接點），相鄰航線間只加首尾兩點，航線較長或旋偏角較大時增加連接點的密度，以利于航線間自動轉點。

6）相對定向、全自動轉點由軟件自動計算完成。在大面積水域或大面積植被覆蓋情況下，軟件會自動記錄并在計算完成后提示哪些模型無法自動完成，由人工干預適當加些關聯(lián)點再自動匹配計算即可完成。

7）自動挑點。調用PixelGrid計算，選用5*3的模式進行挑點。

8）自動挑點后，檢查加密區(qū)的點位分布情況，保證測區(qū)中每一張影像三度重疊區(qū)的上、中、下三個標準點位上必須有連接點；對少點、無點的影像進行人工添加連接點，處于影像邊緣點進行刪除，以保證控制網的精度、強度。

9）對于大面積落水區(qū)域，在影像落水區(qū)域的邊上按間隔1～1.5cm添加連接點，使落水區(qū)域附近的像點網有一個穩(wěn)固的邊界，從而減少落水區(qū)域的影響。

10）量測像控點：根據外業(yè)像控點刺點說明和點位略圖，實行立體觀測切準點位，添加外業(yè)像控點。

11）平差計算：利用光束法區(qū)域網平差方法進行整測區(qū)平差。

12）加密分區(qū)接邊：在單區(qū)網加密精度達到要求的條件下，進行區(qū)域網間接邊處理。在網間接邊處選取明顯同名點，分別重新計算，解求同一點位在不同網中的坐標，并進行比較；評判較差是否在允許的范圍之內，如果達不到要求，分別分析接邊網的構網強度以及解算可靠性，經過修改、完善，重新進行計算，再進行比較，直至網間公共點的殘差中誤差符合規(guī)范要求。

3.3 正射影像圖制作

1）在影像處理系統(tǒng)中，導入空三加密成果，生成立體像對。按照需求設置間距，計算單模型DSM。

2）通過設置不同的參數(shù)進行各種有針對性的操作：保留山體、或者去除房屋、或者提取水域，對應得到具有不同特征的DSM影像，然后再將所有的DSM進行融合，綜合各個DSM的優(yōu)點，從而得到整個測區(qū)的質量較高的DSM。

3）在DSM的基礎上，通過自動過濾人工建筑物、林地等的高程信息，并改正自動匹配造成的誤差，使之嚴格切準地表面，生成高精度的DEM單模型數(shù)據；之后系統(tǒng)自動拼接得到區(qū)域數(shù)字高程模型。

4）相鄰數(shù)字高程模型接邊沒有出現(xiàn)漏洞現(xiàn)象，兩數(shù)字高程模型間相鄰行（列）格網點平面坐標連續(xù)且符合格網間距要求，高程符合地形連續(xù)、平滑連接的總體特征，即使出現(xiàn)跳變，也符合地貌特征。采用DEM對原始影像進行單模型正射糾正。以0.2m的像元大小進行雙線性內插或三次卷積內插法進行重采樣。

5）對OrthoMosaic進行色彩調整，整體顏色達到滿意效果后，作為參考影像重新導入到影像處理系統(tǒng)中，對正射影像成果進行全自動勻色處理。DOM影像清晰，反差適中，沒有出現(xiàn)重影、錯位、扭曲、拉花等現(xiàn)象。

6）系統(tǒng)利用DSM和DEM智能判斷地物優(yōu)化生成鑲嵌線，保證了建筑物及其他要素的完整性，并使接邊自然過渡，無縫鑲嵌。

7）根據現(xiàn)行國家法規(guī)、標準和規(guī)范要求進行圖幅DOM裁切輸出，裁切后的影像沒有在邊緣處出現(xiàn)黑白邊，DOM接邊重疊帶也無明顯的模糊和重影。

4 航攝技術總結

選擇1：1萬比例尺地形圖作為航攝設計用圖，航攝比例尺根據農村土地承包經營確權1：2000比例尺的特點，結合攝區(qū)的地形條件，設定地面分辨率保持0.1m，額濟納旗作了精度達0.1m的高分辨率影像數(shù)據的獲取，飛行相對航高350m。航線沿線路中心線敷設，保證線路兩側的影像寬度不少于100m。選擇太陽高度角大于45°，陰影倍數(shù)小于2的中午11點到下午2點為航攝時間。此測區(qū)飛行最終航向重疊度為80%，旁向重疊度為55%，航線間隔498m。本測區(qū)航飛區(qū)域共33km2，共18條航線，共1206張相片，飛行一個架次。