無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在沿海防護(hù)林帶測(cè)繪中的應(yīng)用

秦晨西

(山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，山東 泰安 271000)

沿海防護(hù)林帶處于沿海地帶，區(qū)域中有較多鹽池及水域、排淡溝等，交通不便，采用人工實(shí)測(cè)，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，需要投入大量的人工，耗時(shí)費(fèi)力，且受制于測(cè)區(qū)地理環(huán)境等因素的影響，工作效率低，工期無法保障。

隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，傾斜相機(jī)可以安裝在無人機(jī)上，通過拍攝影像可以獲取多角度的高分辨率的地物數(shù)據(jù)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的空三加密過程采用的是多視密集匹配算法，可以使得單基線匹配方式轉(zhuǎn)為多基線匹配，加快影像的自動(dòng)匹配功能，同時(shí)也可以提高交會(huì)精度[1-3]，傾斜三維實(shí)景模型其平面和高程精度都得到很大提升。沿海防護(hù)林通常都在海邊附近進(jìn)行建設(shè)，惡劣的地理環(huán)境，野外作業(yè)比較困難。采設(shè)用常規(guī)方式獲取傾斜數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行分區(qū)航線布設(shè)，利用航帶飛行的方式，設(shè)計(jì)航線、航高、分辨率以及重疊度等設(shè)置。

1 技術(shù)路線

測(cè)量工作開工前，先對(duì)測(cè)區(qū)的測(cè)量資料、控制點(diǎn)成果、已有地形圖等進(jìn)行收集。然后編寫初步飛行設(shè)計(jì)文檔，制定飛行計(jì)劃，明確無人機(jī)的飛行方式、航高、傾斜角度、影像重疊度等。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行像控點(diǎn)坐標(biāo)的布設(shè)和采集，以及無人機(jī)飛行圖像數(shù)據(jù)的采集。

傾斜影像導(dǎo)入Context Capture軟件，通過影像聯(lián)合平差進(jìn)行傾斜影像區(qū)域網(wǎng)平差，以及密集匹配，最終可以獲得高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以通過計(jì)算機(jī)的集群方式縮短內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間。地形線圖采集工作，可根據(jù)三維模型、正射影像圖等作參照，提高數(shù)據(jù)采集的效率[4-6]。

2 作業(yè)流程

2.1 控制測(cè)量

本測(cè)區(qū)像控布設(shè)根據(jù)航攝資料以及測(cè)區(qū)情況按區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，周邊每隔1條基線布設(shè)1個(gè)平高控制點(diǎn)，相鄰兩對(duì)平高控制點(diǎn)間的間隔基線數(shù)不能超過3條。

本項(xiàng)目為沿海防護(hù)林帶，范圍內(nèi)所有海水面位置無法布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)盡量布設(shè)在岸線兩邊，利用甲方單位提供的E級(jí)控制點(diǎn)求解七參數(shù)，使用RTK采集像控點(diǎn)，坐標(biāo)采取平滑采集20次的方式進(jìn)行采集。

圖1 無人機(jī)測(cè)量技術(shù)路線圖

2.2 航線設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目為狹長形狀，南北較窄，東西較長，航線飛行采用是航帶飛行，地面分辨為1.9cm，能夠滿足1∶500比例尺地形圖的需要。

表1 飛行航線設(shè)計(jì)表

要符合以下條件：①像片有效范圍覆蓋技術(shù)設(shè)計(jì)要求的全部攝區(qū)；②在航向上超出成圖范圍的基線均在一條以上，旁向上超出成圖范圍均為像幅的30%以上，全區(qū)無攝影絕對(duì)漏洞；③像對(duì)中像片旋偏角：大部分小于4°，有少數(shù)像對(duì)在5°～7°之間；④航線彎曲度：航線飛行彎曲度都要小于2%。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程(見圖2)。

2.3.2 空三加密?？罩腥菧y(cè)量采用Context Capture軟件，將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、pos 數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，并進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，進(jìn)行相對(duì)定向；將外業(yè)測(cè)定的控制點(diǎn)成果，在完成空三加密后對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，通過控制點(diǎn)對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差，將區(qū)域網(wǎng)納入測(cè)區(qū)中所用的坐標(biāo)系統(tǒng)，完成絕對(duì)定向。同時(shí)空三結(jié)束后要查看精度報(bào)告是否滿足精度要求，若不滿足，重新進(jìn)行空三加密[7-10]。

在空三加密過程中相機(jī)畸變參數(shù)，像控點(diǎn)的平差都需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，空三結(jié)果將影響實(shí)景建模的精度和后期測(cè)圖的精度[11-12]。

圖2 無人機(jī)測(cè)量內(nèi)業(yè)處理流程

2.3.3 傾斜三維建模的創(chuàng)建。完成空三加密后，影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成三角TIN，再由三角TIN構(gòu)成白模，自動(dòng)建模軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，最后形成真實(shí)三維場(chǎng)景。利用軟件輸出實(shí)景三維成果，對(duì)模型明顯的拉伸變形，紋理漏洞和貼圖模糊進(jìn)行處理，直至滿足三維模型制作精度要求。

2.3.4 測(cè)量的精度評(píng)定。表2為空三平差后像控點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)表，從表2中可知，像控點(diǎn)平面位置殘差最大值為0.06m，高程殘差最大值為0.12m，1∶500比例尺基本定向點(diǎn)平面殘差限差為0.3m，高程限差為0.34m，結(jié)果顯示空中三角測(cè)量精度滿足1∶500比例尺空三加密要求。

表2 像控檢查點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)

為驗(yàn)證本次傾斜三維建模達(dá)到的精度水平，將野外采集的特征點(diǎn)疊加至三維模型中，分別進(jìn)行平面和高程的檢核，其對(duì)應(yīng)的殘差統(tǒng)計(jì)見表3。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，依據(jù)誤差計(jì)算公式求得檢查點(diǎn)的中誤差：

(1)

經(jīng)計(jì)算得出：特征檢查點(diǎn)平面位置中誤差為0.05m，高程中誤差為0.12m，1∶500比例尺檢查點(diǎn)平面中誤差為0.15m，高程中誤差為0.17m。檢查點(diǎn)精度也符合測(cè)量規(guī)范要求。

2.3.5 地形圖的生成。 將生成的三維模型導(dǎo)入CASS 3D 三維測(cè)圖軟件平臺(tái)進(jìn)行大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采集，主要采集陡坎、斜坡、房屋、河流、道路、高壓線等特征地物。其中房屋繪制主要利用多點(diǎn)房屋，首先提取高程點(diǎn)，生成三角網(wǎng)后再生成等高線，隨后對(duì)三維模型中的遮擋的地物，到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，最后生成完整的地形圖。

表3 野外采集檢查點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)

3 影響無人機(jī)航測(cè)精度的其他因素分析

3.1 RTK定位精度的影響

RTK的普及為測(cè)繪帶來極大的便利，但在屋檐、樹下等位置定位精度可能無法滿足無人機(jī)航測(cè)控制要求精度。尤其高程精度的影響，往往容易被忽視。因此使用RTK作為采集工具制作像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行多次測(cè)量，取其平均值，即大多數(shù)儀器中的控制點(diǎn)測(cè)量功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 天氣對(duì)定位精度的影響

大風(fēng)天氣除影響無人機(jī)在空中的姿態(tài)，無人機(jī)的飛行速度也會(huì)受到影響。由于在沿海地區(qū)，一般風(fēng)力較大，選擇風(fēng)力較小的天氣飛行，飛行高度不宜過高，無人機(jī)對(duì)地速度過快將影響影像的存儲(chǔ)以及曝光點(diǎn)位置的偏移，影響測(cè)量精度。另外，光線、霧霾等均對(duì)成像產(chǎn)生一定的影響，因此應(yīng)選擇適合的氣象條件進(jìn)行航測(cè)。

3.3 外業(yè)測(cè)量精度檢查

實(shí)景三維模型的相對(duì)精度較高，即使用鋼尺容易測(cè)取的建筑物，作為區(qū)域內(nèi)精度檢查結(jié)果的等工具量取時(shí)，得到的對(duì)比結(jié)果良好。在對(duì)比絕對(duì)精度時(shí)，部分陰影中的坐標(biāo)精度略低，且容易向一個(gè)方向發(fā)生偏移。外業(yè)檢查時(shí)也需要檢查一下能通過全站儀等技術(shù)手段采集到的容易測(cè)取的建筑物，作為區(qū)域內(nèi)精度檢查結(jié)果的依據(jù)[13-14]。

4 結(jié)束語

筆者通過沿海防護(hù)林測(cè)繪的狹長區(qū)域作為測(cè)量范圍，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的航帶飛行方式，通過設(shè)計(jì)航線、布設(shè)像控點(diǎn)、空三加密、三維建模等手段，最終得到地形圖的繪制。與傳統(tǒng)測(cè)量相對(duì)比，利用RTK及全站儀測(cè)圖的方法，工作效率得到提高，也能大大縮短工期。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)飛行器續(xù)航能力將會(huì)加強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力更強(qiáng)，無人機(jī)攝影測(cè)量的應(yīng)用范圍將會(huì)更廣泛。