無(wú)人機(jī)免像控大比例尺測(cè)圖與精度驗(yàn)證

朱正華

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽合肥 230001）

0 引言

隨著GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的不斷發(fā)展與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的創(chuàng)新，無(wú)人機(jī)免像控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐步應(yīng)用在地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中，取得了理想的效果。

無(wú)人機(jī)免像控航測(cè)系統(tǒng)作為獲取地理空間數(shù)據(jù)的一種新技術(shù)和新方法，能減少內(nèi)業(yè)對(duì)空三加密人員的依賴，縮短航測(cè)成圖生產(chǎn)周期從而提高效率。在一些山地、森林等人員難以進(jìn)入的困難地區(qū)，免像控航測(cè)系統(tǒng)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是大比例尺測(cè)圖的重要發(fā)展趨勢(shì)。作為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用，除了研究關(guān)鍵技術(shù)的集成方法、探討其新技術(shù)流程，更要關(guān)注它的成圖精度。

本文以宿州市安徽方力四山石料礦實(shí)測(cè)1∶500地形圖為例，重點(diǎn)對(duì)無(wú)人機(jī)免像控測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)及大比例尺測(cè)圖技術(shù)流程進(jìn)行探討，并對(duì)無(wú)人機(jī)免像控測(cè)量的精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 項(xiàng)目概況

安徽方力四山石料礦礦區(qū)位于宿州市順河鄉(xiāng)。礦區(qū)地理坐標(biāo)：東經(jīng)117°01′29″至117°01′43″；北緯33°47′33″至33°47′52″。為滿足該礦實(shí)地勘測(cè)定界和超層越界開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，需繪制礦區(qū)1∶500地形圖。因礦區(qū)及周邊地形復(fù)雜，很多地方人無(wú)法直接抵達(dá)或存在安全風(fēng)險(xiǎn)，本次采用無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影航測(cè)系統(tǒng)測(cè)量，進(jìn)行三維建模，室內(nèi)立體數(shù)字采集航測(cè)成圖。

2 無(wú)人機(jī)免像控測(cè)圖關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜攝影系統(tǒng)簡(jiǎn)介

傾斜攝影測(cè)量是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確信息的一門新技術(shù)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪精度提供保證。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.1 鏡頭畸變校正

攝影過(guò)程中存在鏡頭畸變，使得像點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)際位置偏離像點(diǎn)坐標(biāo)的理想位置。可以使用直接法對(duì)像片進(jìn)行鏡頭畸變校正，計(jì)算得出每個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)后的改正坐標(biāo)值，并保持灰度不變。校正模型如下：

式中，

x,y

為任一無(wú)畸變像點(diǎn)坐標(biāo)；

x

,y

為像主點(diǎn)坐標(biāo)；（

x

，

y

）為像主點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；（

x,y

）為畸變校正后的坐標(biāo)；

K

，

K

，為相機(jī)標(biāo)定獲得的徑向畸變參數(shù)；

P

，

P

，…為相機(jī)標(biāo)定獲得的切向畸變參數(shù)；

r

為（

x

，

y

）的徑向距離。

2.2.2 幾何校正

由于無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、高度、速度以及地球自轉(zhuǎn)等各種因素的影響，會(huì)導(dǎo)致像片相對(duì)于地物目標(biāo)的實(shí)際位置發(fā)生擠壓、拉伸、扭曲、偏移等，需進(jìn)行幾何校正。幾何校正的類別主要分為幾何粗校正以及幾何精校正。幾何粗校正主要對(duì)引起畸變的原因進(jìn)行校正；幾何精校正利用數(shù)學(xué)模型并引入控制點(diǎn)來(lái)對(duì)畸變的圖像進(jìn)行校正。

目前航攝影像常用的幾何校正方法主要分為以下幾種：①基于野外控制點(diǎn)的校正方法；②基于標(biāo)準(zhǔn)地形圖或正射影像圖同名像點(diǎn)匹配的校正方法；③基于無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)的校正方法，根據(jù)原理又可分為多項(xiàng)式糾正法和共線方程法。

2.3 影像匹配

2.3.1 特征提取

特征提取一般指點(diǎn)特征提取和線特征提取兩種。點(diǎn)特征是某些具有一定特征的角點(diǎn)或者中心點(diǎn)，點(diǎn)特征作為最基本的特征，有著能精確定位、易于提取的優(yōu)點(diǎn)；線特征是一些邊緣線段，有一定的畸變，線特征又被稱作邊緣特征。

2.3.2 基于特征的影像匹配

提取特征后，采用Barnard-Thompson算法（基于點(diǎn)特征的匹配算法）基于特征進(jìn)行影像匹配。通過(guò)Moravec算子提取出的點(diǎn)特征，將兩幅圖像的點(diǎn)進(jìn)行初步匹配，然后通過(guò)視差分類，用匹配點(diǎn)的視覺均方差確定最終的匹配結(jié)果。

2.4 機(jī)載POS系統(tǒng)技術(shù)

POS輔助空中三角測(cè)量可以有效解決無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量對(duì)像片控制點(diǎn)的依賴問(wèn)題。POS系統(tǒng)集差分GPS技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)為一體，在低空攝影時(shí)，只需將一臺(tái)GNSS接收機(jī)安置在基站里，通過(guò)與無(wú)人機(jī)內(nèi)的接收機(jī)同步觀測(cè)，100Hz的動(dòng)態(tài)差分模塊通過(guò)載波相位差分技術(shù)即可根據(jù)基站坐標(biāo)實(shí)時(shí)解算無(wú)人機(jī)拍攝像片的精確坐標(biāo)。而IMU可以精確測(cè)量無(wú)人機(jī)的加速度、旋轉(zhuǎn)角等，并自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得無(wú)人機(jī)瞬時(shí)速度。將IMU的姿態(tài)信息、DGPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，即可直接獲得每張像片的6個(gè)高精度外方位元素。

2.5 免像控平差處理技術(shù)

2.5.1 GNSS輔助平差

為了免除地面控制點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中必須將相機(jī)曝光時(shí)間的GNSS觀測(cè)值參與平差，甚至于將高精度的IMU數(shù)據(jù)參與平差計(jì)算，即GNSS/IMU輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差，對(duì)提高空三成果的精度有著非常重要的作用。目前許多航攝后期處理軟件都包括GNSS輔助平差模塊，如Inpho、PATB、CW-10C UAS、ContextCapture無(wú)人機(jī)后處理軟件等。

2.5.2 相機(jī)曝光延時(shí)改正的平差

目前市場(chǎng)有許多專業(yè)曝光同步設(shè)備，可獲取GNSS設(shè)備和相機(jī)曝光時(shí)間的高精度同步信息，經(jīng)處理后可以得到GNSS相位中心坐標(biāo)的精確曝光時(shí)刻，然而由于費(fèi)用昂貴且小型無(wú)人機(jī)荷載輕，無(wú)法搭載，此時(shí)可將曝光延時(shí)參數(shù)引進(jìn)GNSS輔助光束法平差網(wǎng)聯(lián)合平差，從而降低相機(jī)曝光延時(shí)誤差的影響。

2.5.3 相機(jī)自標(biāo)定

由于無(wú)人機(jī)多采用小型數(shù)碼相機(jī)，鏡頭畸變比專業(yè)航攝儀較大，成像參數(shù)會(huì)隨著溫度、氣壓、震動(dòng)、部件老化而變化，相機(jī)參數(shù)的變化會(huì)影響后續(xù)的處理結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)免像控，可使用自帶相機(jī)標(biāo)定功能的空三處理軟件，在平差過(guò)程中自動(dòng)計(jì)算相機(jī)參數(shù)。這種方法可以省去相機(jī)檢校過(guò)程，有著較強(qiáng)的靈活性。此外，還有種方法是通過(guò)自檢校光束法平差模型擬合，從而可以消除某些系統(tǒng)誤差，大幅度提高空三結(jié)果的精度，也能幫助實(shí)現(xiàn)免像控。

3 無(wú)人機(jī)免像控大比例尺地圖制作

3.1 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取流程

本項(xiàng)目利用大疆經(jīng)緯M210無(wú)人機(jī)，搭載睿鉑DG3相機(jī)進(jìn)行低空高分辨率傾斜攝影，數(shù)據(jù)處理軟件為ContextCapture無(wú)人機(jī)后處理軟件。在安徽省宿州市某區(qū)域進(jìn)行了生產(chǎn)作業(yè)，獲取低空航攝影像數(shù)據(jù)。作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 航攝影像獲取流程Figure 1.Aerial image acquisition process

3.2 影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)處理軟件ContextCapture，是針對(duì)航空遙感影像數(shù)據(jù)開發(fā)的一款高自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理軟件，它以輸出高精度攝影測(cè)量地圖產(chǎn)品為目的，保證高精度，減少人工交互，加入了人工智能、自動(dòng)預(yù)測(cè)等功能，操作簡(jiǎn)化。

ContextCapture軟件可以處理多種航空數(shù)據(jù)，不僅支持各種高度航空平臺(tái)的遙感影像數(shù)據(jù)，還能處理航測(cè)影像、非量測(cè)相機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)。整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，可以完成影像處理、生成正射影像圖、帶精細(xì)紋理的DEM等地圖產(chǎn)品的工作。該軟件處理影像數(shù)據(jù)的工作流程如圖2所示。

圖2 ContextCapture軟件處理影像數(shù)據(jù)工作流程Figure 2.Workflow of ContextCapture software for processing image data

3.2.1 原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入

首先將本次作業(yè)獲取得到的POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture軟件中，完成原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作。

3.2.2 空三加密

相片數(shù)據(jù)可以根據(jù)相片名與POS數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)照片進(jìn)行鏡頭畸變校正等預(yù)處理，然后設(shè)置基站信息，輸入基站的WGS84大地坐標(biāo)和儀器高。

然后輸入GPS安裝偏置值。M210的安裝偏置值為：

X

=0.794m，

Y

=0.01m，

Z

=0.4975m。PPS固定解比例閾值采用默認(rèn)的90%，所有設(shè)置完成，軟件可一鍵處理，自動(dòng)完成后差分解算和空三加密。

空三加密完成后，會(huì)自動(dòng)彈出GodWork軟件界面，采用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行智能平差。

3.2.3 生成DEM

DEM（數(shù)字高程模型）是用數(shù)字形式描述地面起伏變化。當(dāng)表示地面微小起伏區(qū)域時(shí)，DEM與數(shù)字表面模型（DSM）是基本一致的。ContextCapture軟件可一鍵操作，自動(dòng)化生成DEM，本次實(shí)驗(yàn)選擇三角網(wǎng)法生成DEM。

3.2.4 制作數(shù)字正射影像圖（DOM）

DOM（數(shù)字正射影像圖）是把航攝像片按逐一像元進(jìn)行正射校正與鑲嵌，并對(duì)其裁剪，生成具有一定精度的數(shù)字正射影像圖。利用ContextCapture軟件生成DOM的過(guò)程主要包括：處理DEM數(shù)據(jù)→轉(zhuǎn)出EOS工程文件→在EOS上導(dǎo)入DEM并設(shè)置分辨率→DSM匹配與濾波→正射糾正→拼接線編輯。

3.3 地形圖編制

采用三維立體測(cè)圖軟件，將ContextCapture軟件生成的三維立體模型導(dǎo)入，根據(jù)1∶500比例尺地形圖要素要求，在三維立體模型上進(jìn)行采集、編輯成圖。

4 無(wú)人機(jī)免像大比例尺測(cè)圖精度驗(yàn)證

本項(xiàng)目使用GPS-RTK實(shí)地量測(cè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，如道路或墻角拐點(diǎn)、橋頭和無(wú)房檐遮擋的房角點(diǎn)等，通過(guò)實(shí)地坐標(biāo)與圖上坐標(biāo)的對(duì)比，分析測(cè)圖成果的平面精度和高程精度。

4.1 平面精度分析

平面精度檢查是在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻采集21個(gè)特征明顯的地物點(diǎn)平面坐標(biāo)，編號(hào)為D1～D21。平面中誤差的計(jì)算公式如下：

測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。經(jīng)驗(yàn)證，

X

方向中誤差為0.035m，最大誤差為-0.113m；

Y

方向中誤差為0.030m，最大誤差為0.118m。滿足規(guī)范中1∶500地形圖的平面精度要求。

表1 測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)平面精度統(tǒng)計(jì)（單位：m）Table 1.Statistics of plane precisions of check points in the survey area(unit:m)

4.2 高程精度分析

在測(cè)區(qū)內(nèi)一共采集21個(gè)具有明顯特征的地物點(diǎn)高程，編號(hào)為D1～D21。設(shè)驗(yàn)證點(diǎn)高程為

H

，圖上對(duì)應(yīng)點(diǎn)高程為

h

，則高程中誤差的計(jì)算公式如下：

實(shí)測(cè)高程與圖上量測(cè)高程以及高程誤差和精度見表2。經(jīng)驗(yàn)證，測(cè)區(qū)高程中誤差為0.093m，最大誤差為-0.250m。由于該測(cè)區(qū)地形起伏不大，滿足1∶500地形圖的高程精度要求。

表2 測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)高程精度統(tǒng)計(jì)（單位：m）Table 2.Statistics of elevation precisions of check points in the survey area(unit:m)

5 結(jié)語(yǔ)

本文以無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺測(cè)圖為研究對(duì)象，介紹了無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、工作原理及有關(guān)流程。結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)踐，利用大疆經(jīng)緯M210無(wú)人機(jī)為攝影平臺(tái)，詳細(xì)闡述了影像數(shù)據(jù)處理軟件ContextCapture、三維立體測(cè)圖軟件生產(chǎn)制作1∶500大比例尺地圖的主要流程。通過(guò)精度驗(yàn)證，表明無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影測(cè)圖可以滿足大比例尺地形圖規(guī)范的精度要求，為無(wú)人機(jī)免像控傾斜攝影大比例尺測(cè)圖的實(shí)踐與推廣提供了有價(jià)值的參考。