低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理系列標(biāo)準(zhǔn)編制說明

李西林 李英成 薛艷麗 丁曉波 朱祥娥

(1.中測新圖(北京)遙感技術(shù)有限公司 北京 100039；2.自然資源部航空遙感技術(shù)重點實驗室 北京 100039； 3.北京市低空遙感數(shù)據(jù)處理工程技術(shù)研究中心 北京 100039；4.武漢中測晟圖遙感技術(shù)有限公司 湖北武漢 430223)

21世紀(jì)初，低空無人飛行平臺搭載數(shù)碼像機作為一種新的測繪手段開始應(yīng)用以來，由于低空數(shù)字航空攝影測量所獲取的影像具有像幅較小、畸變大、影像數(shù)量多、姿態(tài)差等特點，原有的普通航空攝影測量相關(guān)規(guī)范已不適用于此類低空數(shù)字航空攝影測量生產(chǎn)。為推動低空數(shù)字航空攝影測量的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和規(guī)范發(fā)展，相關(guān)管理部門根據(jù)當(dāng)時的行業(yè)技術(shù)水平、應(yīng)用情況及相關(guān)軟硬件現(xiàn)狀，參照有關(guān)航空攝影測量標(biāo)準(zhǔn)編制并發(fā)布了低空數(shù)字航空攝影測量的一系列指導(dǎo)性文件，如CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[1]、CH/Z 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》[2]和CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[3]。這些指導(dǎo)性文件在技術(shù)設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)及驗收等生產(chǎn)實踐中得到了廣泛應(yīng)用。

近10年來，對低空數(shù)字航空攝影的研究和應(yīng)用不斷深入，特別是在低空無人飛行平臺的硬件和后續(xù)數(shù)據(jù)處理軟件等方面的技術(shù)都有了飛速發(fā)展，生產(chǎn)實踐得到進一步豐富，成熟案例也越來越多，同時由于低空無人飛行平臺的靈活機動、反應(yīng)迅速越來越受到重視，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別是在小區(qū)域制圖方面，由于其較高的性價比已經(jīng)取代了傳統(tǒng)航空攝影測量。因此，根據(jù)目前已有的技術(shù)水平以及未來若干年的發(fā)展趨勢，有必要對已有的行業(yè)指導(dǎo)性文件進行修訂，制定相應(yīng)的低空數(shù)字航空攝影測量數(shù)據(jù)獲取與處理國家標(biāo)準(zhǔn)和測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)包括國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39612—2020《低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理規(guī)范》[4]，測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CH/T 3003—2021《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[5](代替CH/Z 3003—2010 《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》)、CH/T 3004—2021《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》[6](代替CH/Z 3004—2010 《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》)和CH/T 3005—2021《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[7](代替CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》)。其中，國家標(biāo)準(zhǔn)已于2020年12月14日起開始實施，測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已于2021年8月1日起開始實施。

新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，必將帶動我國低空數(shù)字航空攝影測量相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和軟硬件的研發(fā)與應(yīng)用等。本文主要對新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)的編制原則、編制工作過程中的若干技術(shù)問題和關(guān)鍵控制指標(biāo)技術(shù)進行分析和說明。

1 編制原則

本系列標(biāo)準(zhǔn)的編制遵循科學(xué)性、實用性、協(xié)調(diào)性和規(guī)范性等原則，具體表現(xiàn)在：

1.1 科學(xué)性

本系列標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中，以攝影測量與遙感學(xué)理論為依據(jù)，按照航空攝影測量的數(shù)據(jù)獲取作業(yè)流程及內(nèi)業(yè)、外業(yè)的作業(yè)流程進行系統(tǒng)的規(guī)范。

1.2 實用性

目前國內(nèi)用于低空數(shù)字航攝的系統(tǒng)眾多，其共同特點是像幅小，飛行姿態(tài)穩(wěn)定性相對較弱。本系列標(biāo)準(zhǔn)在編制中，從低空數(shù)字航攝、外業(yè)像片控制測量、內(nèi)業(yè)空中三角測量和基礎(chǔ)地理信息成果生產(chǎn)等方面進行規(guī)范和約定，突出了低空特點，規(guī)定了共性方法和原則性指標(biāo)，使其能適用于不同廠家、不同類型的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理裝備，回避了因軟硬件差異造成的個性問題。

目前國內(nèi)外相關(guān)內(nèi)業(yè)處理軟件有JX4、VirtuoZo、DPGrid、PixelGrid、TOPGRID、 ImageStation SSK和GodWork等，這些處理軟件都具有其各自的特點，都對低空數(shù)字航空攝影測量的內(nèi)業(yè)作業(yè)流程、最終產(chǎn)品的規(guī)格進行了規(guī)范和約定，可適用于不同航空攝影測量項目的作業(yè)。

本系列標(biāo)準(zhǔn)在外業(yè)測量技術(shù)設(shè)計及像片控制點布設(shè)等方面突出了低空特點，在編制過程中融入了實際生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)統(tǒng)計指標(biāo)，充分考慮了實際生產(chǎn)作業(yè)中出現(xiàn)的問題，便于實際作業(yè)的操作。

1.3 協(xié)調(diào)性

本系列標(biāo)準(zhǔn)對基礎(chǔ)地理信息圖件產(chǎn)品的要求依然嚴(yán)格遵循GB 35650—2017 《國家基本比例尺地圖測繪基本技術(shù)規(guī)定》[8]，只是對其實現(xiàn)過程和裝備以及生產(chǎn)方法進行了規(guī)范，修改了生產(chǎn)過程中一些適用于無人機航空攝影測量的技術(shù)指標(biāo)和作業(yè)流程方面的要求。

CH/T 3007.1—2011《數(shù)字航空攝影測量 測圖規(guī)范 第1部分：1∶500 1∶1 000 1∶2 000 數(shù)字高程模型 數(shù)字正射影像圖 數(shù)字線劃圖》[9]基于數(shù)字?jǐn)z影測量當(dāng)前的技術(shù)特征對航空攝影測量的測圖成果生產(chǎn)進行了技術(shù)約定和作業(yè)指導(dǎo)，系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) CH/T 9008分別對1∶500、 1∶1 000、 1∶2 000比例尺數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖[10-12]3種基礎(chǔ)地理信息成果的精度及規(guī)格進行了約定。由于低空數(shù)字航空攝影測量較傳統(tǒng)數(shù)字航空攝影測量在數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量上有一定的區(qū)別，因此本系列標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中，在充分分析二者的同異和技術(shù)指標(biāo)在低空數(shù)字航空攝影適用性的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前國內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)驗，盡可能對低空數(shù)字航空攝影測量的內(nèi)業(yè)工作要求、技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品要求進行全面、明確的規(guī)定。

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》[13]針對模擬、解析航空攝影測量方法對1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖測繪的外業(yè)工作進行技術(shù)規(guī)定，CH/T 3006—2011《數(shù)字航空攝影測量 控制測量規(guī)范》[14]基于數(shù)字?jǐn)z影測量的技術(shù)特征對航空攝影測量的像片控制測量進行規(guī)定。本系列標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)低空數(shù)字?jǐn)z影測量中影像像幅較小、姿態(tài)差等特點，以及不同類別產(chǎn)品的相關(guān)要求，同時結(jié)合傳統(tǒng)的航空攝影測量外業(yè)規(guī)范，對地形圖測繪的外業(yè)工作進行了新的規(guī)定。

1.4 規(guī)范性

本系列標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T 1.1—2009 《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》[15]的規(guī)定進行編制。

本系列標(biāo)準(zhǔn)針對無人機行業(yè)應(yīng)用的海量需求和廣闊前景，在科技部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究課題的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施(NQI)標(biāo)準(zhǔn)項目立項任務(wù)書要求進行編制，在技術(shù)方面，參考了數(shù)字航空攝影測量、IMU/GNSS輔助航空攝影、控制測量規(guī)范和低空數(shù)字航空攝影測量等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)技術(shù)指導(dǎo)性文件。

2 關(guān)鍵指標(biāo)及其分析

2.1 產(chǎn) 品

本系列標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)目前低空數(shù)字航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展水平和應(yīng)用成果進行制定，適用于1∶500、1∶1 000、1∶2 000比例尺數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型和正射影像圖的制作，刪除了原CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[1]中對數(shù)字線劃圖(B類)和數(shù)字正射影像圖(B類)的規(guī)定。按照本系列標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的成果滿足基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果的要求。

2.2 低空數(shù)字航空攝影

2.2.1 平臺和像機

低空數(shù)字航空攝影對飛行平臺的要求主要包括抗風(fēng)能力(不低于4級)、自動駕駛儀、具有定點曝光或等距曝光控制功能、位置姿態(tài)記錄和測高可檢驗等。

小像幅航攝數(shù)碼像機有別于數(shù)字航攝儀，大多都是改造自民用數(shù)碼像機，在進行低空數(shù)字航空攝影時需要對航攝數(shù)碼像機的結(jié)構(gòu)、基本指標(biāo)、檢校要求和安裝要求等進行規(guī)定。新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定航攝數(shù)碼像機最高快門速度由不低于1/1 000 s變?yōu)椴坏陀?/800 s，并增加了飛行方向航向視場角要求，以保證平面和高程基本測量精度。

飛行方向視場角指矩形像幅中，用于構(gòu)建立體模型基線方向的視場角。航向視場角和重疊度決定了攝影測量前方交會角度，進而決定了基高比和高程精度。視場角與交會角和基高比的關(guān)系如圖1所示。

圖1 視場角與交會角和基高比Fig.1 FOV，Intersection Angle and Ratios of Base- Height

高程誤差的大小由式(1)決定[16]，基高比越小，高程誤差越大。

(1)

式中：H為航高，B為基線長，mΔp為左右視差量測精度，mh為高程精度。

經(jīng)檢?？杖叱淌諗烤冗_到像方1/3個像素的中誤差限制時，對應(yīng)的像機視場角為26.991°。因此，本系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定航攝數(shù)碼像機視場角的限制值為27°。

對于數(shù)碼像機沿對角線方向表示視場角，主要源自CCD和CMOS傳感器生產(chǎn)中對材料幅面的要求。攝影測量學(xué)中，僅僅需要飛行方向(航向)構(gòu)建立體視野的視場角，對于不是正方形的CCD和CMOS傳感器來講，通常指矩形短邊對應(yīng)的視場角，如圖2所示。

圖2 非正方形CCD的視場角Fig.2 FOV of Non- Square CCD

2.2.2 航攝計劃與航攝設(shè)計

本系列標(biāo)準(zhǔn)在航攝計劃與航攝設(shè)計方面的主要變化：

1)增加了對基準(zhǔn)面上設(shè)計地面分辨率的要求，推薦了宜采用的地面分辨率(見表1)，以提高影像質(zhì)量，同時兼顧執(zhí)行效率，確保滿足后續(xù)基礎(chǔ)地理信息成果生產(chǎn)要求。

表1 航攝基準(zhǔn)面地面分辨率設(shè)計范圍Tab.1 Design Ranges of Ground Resolution of Aerial Photographic Datum測圖比例尺地面分辨率/cm1∶500≤51∶1 000≤10,宜采用81∶2 000≤20,宜采用16

2)規(guī)定在高山地航攝分區(qū)時，地形高差的限制可適當(dāng)放寬為1/3航高，并規(guī)定可按照最低點分辨率不低于基準(zhǔn)面上設(shè)計值的1.5倍的原則重新進行分區(qū)，或者超限面積比例不超過10%的零散小分區(qū)可以向相鄰分區(qū)合并，以提高數(shù)據(jù)獲取效率。

3)規(guī)定無人駕駛飛行器的飛行速度選擇應(yīng)與像機快門速度設(shè)置相匹配，以保證像點位移量不超過0.5個像素；增加了需要預(yù)先布標(biāo)的條件和要求，有利于系列標(biāo)準(zhǔn)間的銜接。

2.2.3 飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量

對于以測制大比例尺地理信息圖件產(chǎn)品為目的的航空攝影測量項目，新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格約束了重疊度、傾角和旋偏角等指標(biāo)，并對原行業(yè)指導(dǎo)性文件《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[3]的指標(biāo)限值進行了修訂。

本系列標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中，統(tǒng)計了大量實際空中三角測量生產(chǎn)案例的外方位元素值，重點根據(jù)低空飛行的特點，放寬了重疊度和傾角指標(biāo)，目的是為了提高航攝效率。經(jīng)試驗驗證，由于放寬了重疊度和傾角指標(biāo)帶來的不利影響，目前的后處理軟件完全可以彌補。根據(jù)多個測區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果，規(guī)定像片旋偏角通常不超過15°，最大不超過25°；根據(jù)大量實際飛行的統(tǒng)計結(jié)果對像片傾角進行規(guī)定，為了方便計算，使用橫滾和俯仰角中較大者作為像片傾角，規(guī)定像片傾角通常不超過12°，最大不超過15°。

2.3 像片控制測量

2.3.1 像片控制點布設(shè)

像片控制點的布設(shè)與很多因素有關(guān)，諸如像機、航高、影像重疊度、像機姿態(tài)和測區(qū)地形等。本系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了像片控制點選點條件和布設(shè)要求，并按基線估算公式對基線長度進行計算，按照攝影測量原理提出了相鄰平高控制點和高程控制點間的航向間隔基線數(shù)和旁向間隔航線數(shù)。同時，給出了采用GNSS和IMU/GNSS輔助航攝時的布設(shè)方案，以及單航線、全野外布點和特殊情況下的布設(shè)方法。

本系列標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實際生產(chǎn)中的30個不同比例尺、不同地形以及帶差分和不帶差分條件下DOM和DLG生產(chǎn)案例中的像片控制點布設(shè)及空三結(jié)果，對控制點的航向和旁向間隔基線數(shù)進行了規(guī)定(見表2)，作為控制點布設(shè)的最大跨度要求。

表2 航向相鄰控制點的基線跨度和旁向相鄰控制點的航線跨度Tab.2 Flight Line Span of Heading Adjacent Control Points and Course Span of Side Adjacent Control Points比例尺基線跨度/條航線跨度/條1∶500331∶1 000431∶2 00063

本系列標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，當(dāng)測區(qū)內(nèi)普遍難以找到合適的像片控制點目標(biāo)時，航攝前應(yīng)鋪設(shè)地面標(biāo)志，并提供了常用地面標(biāo)志式樣的資料性附錄。

2.3.2 像片控制點測量

本系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基礎(chǔ)控制點、像片控制點的測量方法和要求按CH/T 3006—2011《數(shù)字航空攝影測量 控制測量規(guī)范》執(zhí)行，將“刺點和整飾”改為“像片控制點選點、測量與整飾”，同時明確了點之記照片和像控點成果整理的要求，并提供了相應(yīng)的資料性附錄。

2.3.3 調(diào) 繪

本系列標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)繪方面的內(nèi)容進行了整理分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合目前生產(chǎn)情況對調(diào)繪的具體內(nèi)容進行了規(guī)定，其中，調(diào)繪基本單元按照生產(chǎn)實際給出了劃分方法。

2.4 空中三角測量和內(nèi)業(yè)生產(chǎn)

2.4.1 影像預(yù)處理

本系列標(biāo)準(zhǔn)對空三加密之前的影像預(yù)處理工作要求進行了修訂，增加了影像旋轉(zhuǎn)至與航攝方向一致的要求。

2.4.2 掃描影像與內(nèi)定向

本系列標(biāo)準(zhǔn)刪除了掃描影像和內(nèi)定向的內(nèi)容，僅將數(shù)字影像作為處理對象。

2.4.3 精 度

本系列標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了連接點對最近野外控制點平面位置中誤差與高程中誤差(見表3)的要求，更方便參考和使用。

表3 連接點對最近野外控制點平面位置與高程中誤差單位:mTab.3 Mean Square Error of Plane Position and Elevation of Tie Points to the Nearest Field Control Points成圖比例尺平面位置中誤差平地丘陵地山地高山地高程中誤差平地丘陵地山地高山地1∶5000.20.20.280.280.150.280.350.51∶1 0000.40.40.550.550.280.350.51.01∶2 0000.80.81.11.10.280.350.81.2

2.4.4 相對定向

新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)中，相對定向的視差要求和模型連接要求與傳統(tǒng)航空攝影測量的要求保持一致，其中，相對定向的視差要求和模型連接要求根據(jù)對目前主流像機的理論計算進行規(guī)定，并在生產(chǎn)實踐已經(jīng)得到了驗證。同時，系列標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了多模型檢查相對定向和模型連接的精度指標(biāo)。

目前實際生產(chǎn)中通常采用自動匹配點的方式匹配連接點，自動匹配過程中考慮了特征和幾何等多種因素，每張影像通常都有幾十個匹配點，在匹配點數(shù)量達不到要求的情況下需要人為加點。本系列標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)對實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中連接點位置的統(tǒng)計結(jié)果，提出了連接點位置要求： 航線連接點宜采用3度重疊，旁向連接點宜采用6度重疊；連接點距離影像邊緣不應(yīng)小于 15個像素，這與傳統(tǒng)航空攝影測量[17]規(guī)定的0.1 cm和CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[1]規(guī)定的100個像素的要求有很大區(qū)別。

2.4.5 自由網(wǎng)平差

根據(jù)低空數(shù)據(jù)處理特點，本系列標(biāo)準(zhǔn)增加了自由網(wǎng)平差方面的要求，以保證平差的最終結(jié)果能滿足地理信息成果生產(chǎn)的需要。根據(jù)對實際生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，規(guī)定自由網(wǎng)平差后像點殘差不大于 2個像素。

2.4.6 絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差

本系列標(biāo)準(zhǔn)重新規(guī)定了適合于低空航空攝影測量的區(qū)域網(wǎng)平差計算后的基本定向點殘差、檢查點誤差和公共點較差，還根據(jù)生產(chǎn)實際增加了自檢校平差方面的內(nèi)容，明確了自檢校平差的處理方法。

3 結(jié) 語

本系列標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中，收集了大量實際生產(chǎn)案例的飛行數(shù)據(jù)、像片控制點布設(shè)方案和相應(yīng)的空中三角測量結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計分析后，用于確定低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)中航攝計劃與實施、航攝成果、像片控制點布設(shè)、空中三角測量中的關(guān)鍵質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)。同時，在系列標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中廣泛征求了相關(guān)生產(chǎn)單位和專家的意見，并將其采納進低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)中。

因此，新制定的低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的關(guān)鍵指標(biāo)能滿足生產(chǎn)實踐，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

無人機低空航空攝影技術(shù)的快速發(fā)展，在國民經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中的應(yīng)用日益廣泛，尤其是對地觀測、快速獲取大比例尺高精度地形圖數(shù)據(jù)已成為最熱的增長方向。據(jù)咨詢機構(gòu)預(yù)測，低空航空攝影數(shù)據(jù)的需求每年具備100億以上經(jīng)濟規(guī)模。近年來，工業(yè)無人機已經(jīng)突破6 000套，消費級無人機也突破了百萬架，以及物聯(lián)網(wǎng)+和應(yīng)急服務(wù)的需求驅(qū)動，我國無人機應(yīng)用已經(jīng)達到世界先進水平。因此，對低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理相關(guān)系列標(biāo)準(zhǔn)進行研究，一方面可為無人機低空遙感行業(yè)百億級數(shù)據(jù)和地圖生產(chǎn)提供規(guī)范依據(jù)，促進專業(yè)化服務(wù)，避免無序發(fā)展；另一方面，在帶動民用通用航空器無人機研制與應(yīng)用、無人機空管技術(shù)與政策、電子信息產(chǎn)品應(yīng)用、自動控制與智能技術(shù)、災(zāi)害應(yīng)急、生態(tài)環(huán)境保護和自然資源管理等方面將產(chǎn)生積極的影響，起到廣泛而深遠的作用。