無人機低空攝影測量數(shù)據(jù)處理及應用探討

周玉秀，申忠昌，王永菊

(1．青海省基礎測繪院，青海 西寧 810001； 2.青海地理信息產業(yè)發(fā)展有限公司，青海 西寧 810001)

近年來，無人機市場發(fā)展繁榮，測繪市場體量巨大，受國家對測繪裝備現(xiàn)代化重視程度提高、4D成果數(shù)據(jù)提供量持續(xù)大幅度增長影響，無人機測量技術超越傳統(tǒng)測量技術，成為主流測繪方式之一[1]。無人機作為目前獲取空間數(shù)據(jù)的重要測量手段，具有機動靈活、操作簡便、快速響應、成圖精度高、產品豐富等優(yōu)點[2]。Kim等[3]利用無人機技術在潮灘空間信息獲取及管理的研究中肯定了無人機測量技術的優(yōu)勢，并表示無人機低空攝影測量由于測繪目的不同，測量技術方法應差異化；王春年等[4]對無人機測繪技術與三維激光掃描技術獲取高精度DEM及DOM進行研究，結果表明受機載相機、飛機航線、影像像幅小及數(shù)據(jù)處理軟件等因素影響，DEM高程精度不佳。鑒于此，本文以某高原地區(qū)為例進行實驗，采用無人機獲取影像數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理軟件，通過航帶拼接、空三加密、生成DSM等流程,快速獲取DEM高程數(shù)據(jù)和DLG數(shù)字線劃圖，從而簡化數(shù)據(jù)處理流程，提高數(shù)據(jù)成果精度，對無人機在高海拔山區(qū)的測繪應用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省德令哈市境內，石底泉灘西南部，地理坐標為東經(jīng)95°51′22″～95°54′51″，北緯37°36′38″～37°37′46″。測區(qū)東西長5 km，南北寬約1 km，海拔在3 830～3 993 m，測區(qū)內山形陡峻，溝壑縱橫，巖石多裸露，山脊多風化成沙礫陡坡，大部為荒山溝谷，植被極少，氣候干燥，缺氧量較嚴重，人工施測略有難度。

2 無人機航空攝影關鍵技術

本研究中，無人機數(shù)據(jù)影像用于制作1∶2 000大比例尺地形圖及相關數(shù)字產品，結合測區(qū)實際地形、勘察結果將對測區(qū)進行航線規(guī)劃、分區(qū)航攝，并選擇晴朗無風的時間段進行航測[5-6]。本研究技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology roadmap

2.1 航攝分區(qū)及航線設計

航攝分區(qū)應保證航攝范圍內獲取的影像能達到指定的地面分辨率、航向重疊度或旁向重疊度，并遵循分區(qū)界線與圖廓線保持一致；分區(qū)內地形高差不大于1/6攝影航高；在航線和高差都符合要求時，分區(qū)的面積盡量大一些，保證能覆蓋整個測區(qū)的原則[7]。其中攝影航高的計算公式[8]如下：

(1)

式中：H為攝影航高理論值(m)，f為鏡頭焦距(mm)，GSD為地面分辨率(m)，a為像元尺寸(um)。

本研究中無人機鏡頭焦距為24 mm，地面分辨率為0.15 m，像元尺寸為12 um，由此計算得出理論飛行航高為300 m。根據(jù)國家民航局對無人機云系統(tǒng)運行場景分類及數(shù)據(jù)規(guī)范代碼表，規(guī)定航空器處于駕駛員或觀測員目視視距內半徑500 m，相對高度低于120 m的區(qū)域內，參考GB/T 7931—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》[9]標準，結合無人機設備性能限制，以及測區(qū)高差，實際飛行航高設置為120 m。

在航線規(guī)劃時，旋翼無人機可在劃定的飛行區(qū)域內自動規(guī)劃航線(圖2)，航線設計完成后需設置航向重疊率、旁向重疊率和航高。依據(jù)國家標準CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[10]要求，結合無人機設備性能及測區(qū)地形，采取加大重疊率的方法，選取航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%。測量過程中飛行6個架次，每次飛行時間為30分鐘。

圖2 航線規(guī)劃圖Fig.2 Route planning map

無人機獲取的數(shù)據(jù)主要有地面像片，POS數(shù)據(jù)，飛行航線數(shù)據(jù)，飛行記錄文件等類型。每架次航攝作業(yè)后，均需對相片數(shù)據(jù)進行檢查并導出POS數(shù)據(jù)，經(jīng)檢查，除個別影像外，航攝影像色彩均勻清晰，反差適中。

2.2 像控點布設與測量

像控點布設基于CH/Z 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》[11]，采用區(qū)域網(wǎng)布點方法，結合測區(qū)地形特點，平面航向基線跨度小于7條，旁向相鄰航線跨度小于5條航線，布設于光照條件良好的地方，在航向或旁向5～6張航片重疊范圍內。像控點測量采用RTK進行測量，每個像控點測量取三次平均值，以保證準確性和精度。單次觀測均在固定解狀態(tài)下進行，保證測量結果精度，觀測歷元數(shù)不少于20個，各次結果取均值。

2.3 無人機數(shù)據(jù)處理

本研究采用Pix4Dmapper數(shù)據(jù)處理軟件[12]對無人機數(shù)據(jù)和航空影像進行處理。在軟件中創(chuàng)建新項目，添加所有架次的航攝影像，利用軟件的“快速拼接”功能完成測區(qū)影像拼接。如圖3所示，照片導入后，需選擇數(shù)據(jù)輸出的基準面，通過軟件可快速拼接得到完整測區(qū)影像圖，需檢查該圖是否覆蓋整個測區(qū)，確認覆蓋目標區(qū)域完全后方可進行下一步數(shù)據(jù)處理。

圖3 數(shù)據(jù)拼接過程Fig.3 Data splicing process

完成影像拼接后，在項目中選擇GCP/MTP管理，導入像控點數(shù)據(jù)，坐標順序選擇X、Y、Z，依次對包含各個像控點的航片進行刺點，每個像控點至少選三張清晰度較高的航片進行刺點(圖4)。

圖4 像片刺點Fig.4 Photo prick

刺點完成后，如圖5所示，需利用軟件的空三射線功能對數(shù)據(jù)進行處理，以求解所有加密點的地面坐標及像片方位元素。方便后續(xù)影像數(shù)據(jù)的生成。

圖5 空三加密Fig.5 Aerial triangulation

數(shù)據(jù)處理軟件可基于處理后的數(shù)據(jù)快捷生成DSM(數(shù)字表面模型)，DSM是在DEM基礎上添加了除地面以外的其他地表信息高程數(shù)據(jù)，例如地表建筑物、橋梁、樹木等，測區(qū)內包含少量的房屋。基于測區(qū)的DSM數(shù)據(jù)利用軟件的點云、紋理、正射影像和指數(shù)處理功能，生成點dxf格式的云數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型及正射影像。在軟件中加載點云數(shù)據(jù)，通過點云編輯將房屋點云數(shù)據(jù)刪除，重新生成即可得到測區(qū)DEM數(shù)據(jù)，如圖6所示。根據(jù)需要將多余的高程點過濾，建立DTM，并繪制等高線。對不合理的等高線進行刪除，并導入野外測量點，進行房屋、道路等地物要素的繪制，并用不同顏色進行修飾與區(qū)分，最終得到測區(qū)DLG數(shù)字線劃圖。

3測繪成果精度分析

由表1可得,平面X方向上最大誤差為0.092 m，Y方向上最大誤差為0.090 m，根據(jù)點位中誤差公式求得平面位置中誤差為0.032 m。根據(jù)相關規(guī)范[15]檢查點平面位置中誤差允許值為±0.100 m，該結果滿足1∶2 000比例尺測圖要求。

利用DEM數(shù)據(jù)通過內插方法獲取特征點的高程作為測量值，以RTK測量的地面特征點的高程為真值，計算高程檢查點的誤差值ΔH(表2)?；跈z查點高程信息，結合點位中誤差計算公式求得高程中誤差為-0.058 m，該結果夠滿足規(guī)范[15]中規(guī)定的高程中誤差：±0.200 m(山地)、±0.250 m(高山地)。

表2 高程檢查點誤差

測繪成果精度計算結果證明檢查點平面位置中誤差和高程中誤差均滿足制作1∶2 000比例尺數(shù)字線劃圖的規(guī)范要求及3D產品的生產需求。

4 討論與結論

本文結合實際案例，以海拔3 800 m區(qū)域為測區(qū)，驗證了無人機低空攝影軟件內業(yè)處理的作業(yè)模式在高原區(qū)域大比例尺地形圖測量的可行性。研究結果表明：測繪成果平面位置中誤差為0.032 m，高程中誤差為-0.058 m，均符合規(guī)范的精度要求。DSM、DEM、DLG等3D產品生產效率有所提高，完全滿足1∶2 000大比例尺地形圖的各類要求?？蔀楦咴降販y區(qū)無人機低空攝影測量工作提供一定的理論價值和參考。相濤等[13]僅對Pix4Dmapper軟件生成數(shù)據(jù)的精度進行了分析，并未進一步的獲取大比例尺地形圖數(shù)據(jù)；董明輝[14]采用了多軟件對數(shù)據(jù)進行處理，未提及到數(shù)據(jù)處理的精度。相比而言，本研究中數(shù)據(jù)處理流程相對簡潔，數(shù)據(jù)處理時間更短。但由于測區(qū)環(huán)境不同，本次研究對不同測區(qū)不具有普適性，未來將結合不同測區(qū)環(huán)境進行無人機低空攝影測量數(shù)據(jù)處理普適性技術進行研究。

無人機低空攝影測量作為目前的研究熱點和測量工具，廣泛用于各個領域，今后高原區(qū)域各類基于無人機測量的研究和工作也將日趨完善。無人機的技術可行性會越來越大，工作效率越來越高。