基于無人機(jī)攝影測量的北京某鎮(zhèn)大比例尺測圖研究

賈延青 溫立文

(北京星天地信息科技有限公司 北京 102299)

隨著遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新、無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)攝影測量技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的航空攝影測量系統(tǒng)，其獨(dú)特的優(yōu)勢在于：（1）平臺構(gòu)建容易，維護(hù)方便，成本在大幅度降低；（2）無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)體積小、重量輕、操作方便，飛機(jī)在起飛降落時不需要專門的起降機(jī)場，且可用多種方式起飛和降落，機(jī)動靈活[1]；（3）受天氣條件和地面地貌狀況影響較小，作業(yè)方式相對比較安全，人工在地面控制飛行，使無人機(jī)可進(jìn)入危險(xiǎn)地帶開展作業(yè)，從而降低工作人員在作業(yè)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。正是無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)，使其成為補(bǔ)充傳統(tǒng)航天攝影測量的一種重要手段，逐步得到測繪、地理信息等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并被普遍應(yīng)用在天氣的監(jiān)測和預(yù)報(bào)、國土資源環(huán)境的調(diào)查、城市管理、海事信息化的建設(shè)與動態(tài)管理、災(zāi)害預(yù)報(bào)、災(zāi)害監(jiān)測與評估、國家海洋權(quán)益保障、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、電力維修、水利勘察等各個領(lǐng)域[2]。

1 無人機(jī)影像獲取流程和技術(shù)路線

該文采用南方測繪“天行”八旋翼無人機(jī)搭載Sony RX1RM2 數(shù)碼相機(jī)，在北京市某鎮(zhèn)進(jìn)行了生產(chǎn)作業(yè)，獲取無人機(jī)低空航攝遙感影像并完成1∶500 大比例尺地形圖的成圖。該次作業(yè)選用的數(shù)據(jù)處理軟件是Smart 3D 三維實(shí)景建模軟件和清華山維EPS 裸眼3D測圖軟件。無人機(jī)影像獲取流程具體見圖1。

圖1 無人機(jī)影像獲取流程

1.1 測區(qū)概況

該次的作業(yè)區(qū)位于北京市某鎮(zhèn)；測區(qū)屬于溫暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促；全年無霜期180～200天；該次作業(yè)任務(wù)是為了該地區(qū)前期的旅游開發(fā)項(xiàng)目做一個前期的勘察工作，項(xiàng)目面積約為3 km2左右。

起飛前，需要對測區(qū)已有資料進(jìn)行收集。該次作業(yè)測區(qū)的已有資料包括從相關(guān)部門收集到該地區(qū)已有3個控制點(diǎn)，可以作為布設(shè)像控點(diǎn)的起算點(diǎn)，該次作業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)系采用1980 年西安坐標(biāo)系，1985 高程基準(zhǔn)。提前與甲方做好溝通并提供測區(qū)范圍線，并且告知地區(qū)的難度重點(diǎn)，以及最大的海拔高差等有關(guān)信息。

1.2 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)確保無人機(jī)能夠按照預(yù)定軌道進(jìn)行飛行作業(yè)，并保證飛行過程中的各種參數(shù)滿足相關(guān)軌跡[3]。航線設(shè)計(jì)是否合理關(guān)乎最終成果，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并做好復(fù)查工作，確保飛行過程的安全和飛行數(shù)據(jù)的可靠，該節(jié)主要是按照相關(guān)要求，計(jì)算出航線設(shè)計(jì)的所需參數(shù)[4]。

1.3 外業(yè)像控點(diǎn)測量

為保證該次測量作業(yè)的精確，該次野外像控點(diǎn)的布設(shè)嚴(yán)格遵守野外像片控制點(diǎn)的布設(shè)原則，共布設(shè)了76 個野外像控點(diǎn)，該次坐標(biāo)系采用1980 年西安坐標(biāo)系，1985高程基準(zhǔn)，中央子午線為114°。其中3個已知控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，使用GPS-RTK 結(jié)合溫州CORS 賬號進(jìn)行平滑采集，計(jì)算結(jié)果平面、高程精度均滿足規(guī)范要求。

2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

得到兩個測區(qū)的影像數(shù)據(jù)后，采用Smart 3D 軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，該軟件是一款集數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空三加密、三維建模于一體的自動化航空影像處理軟件，該軟件自動化操作程度高，能夠生成應(yīng)用于EPS裸眼3D測圖軟件的OSGB 瓦片格式的數(shù)據(jù)[5]。通過該軟件生成的三維模型精度高、效果好，可以滿足大比例尺成圖所需要的模型的要求，Smart 3D 軟件處理數(shù)據(jù)的流程具體見圖2。

圖2 Smart 3D 的作業(yè)流程

2.1 航測原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

首先將該次航測獲取到的記錄飛行姿態(tài)的POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面導(dǎo)入到Smart 3D中，完成航測數(shù)據(jù)的錄入工作。

2.2 空中三角測量

設(shè)置好像片的相關(guān)屬性后，選擇提交空中三角測量，可以設(shè)置空三的名稱、定位、參考方式以及其他設(shè)置等。如果對一次空三加密的計(jì)算結(jié)果不滿意，Smart3D可以進(jìn)行多次提交空三加密，直到符合精度要求[6]。該次試驗(yàn)共進(jìn)行了兩次空三加密。

2.3 構(gòu)建三維模型

空三加密完成之后，開始進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，Smart 3D 的三維模型構(gòu)建高度自動化，該次構(gòu)建需要生成的是OSGB 格式瓦片模型，為了加快生成模型的速度和精度，需要對整個測區(qū)的空間框架進(jìn)行構(gòu)建，選取生成的模型范圍。根據(jù)電腦性能和測區(qū)的實(shí)際情況，將整個測區(qū)共分為49 個瓦片。隨后提交項(xiàng)目生產(chǎn)。Smart 3D可以生成三維網(wǎng)格、三維點(diǎn)云、正射影像和數(shù)字表面模型，根據(jù)不同生產(chǎn)項(xiàng)目的需要可以生產(chǎn)不同類型的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)成果

經(jīng)過上述步驟，就完成了內(nèi)業(yè)處理的整個步驟，再經(jīng)過對后續(xù)成果整理和修飾，就可得到測區(qū)的數(shù)字三維模型。具體見圖3。

圖3 測區(qū)數(shù)字三維模型

3 精度分析

該文精度分析主要是利用GNSS-RTK系統(tǒng)對測區(qū)內(nèi)明顯的地物點(diǎn)實(shí)測其平面坐標(biāo)和高程，然后在數(shù)字線劃圖上選取該點(diǎn)的圖上坐標(biāo)和高程，最后利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算其平面精度和高程精度。檢查點(diǎn)主要選取一些比較明顯、在圖片上比較容易辨別的點(diǎn)，比如道路上斑馬線或者交通標(biāo)志的垂直拐點(diǎn)、測區(qū)內(nèi)平房的房屋拐點(diǎn)、硬化水泥路十字路口的交點(diǎn)等。

3.1 平面精度分析

利用GNSS-RTK 系統(tǒng)對測區(qū)內(nèi)20 個明顯的地物點(diǎn)實(shí)測其平面坐標(biāo)和高程，然后在數(shù)字線劃圖上選取該點(diǎn)的圖上坐標(biāo)和高程，最后利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算其平面精度和高程精度，可以得到測區(qū)檢查點(diǎn)的平面精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，具體見表1。

表1 測區(qū)檢查點(diǎn)的平面精度統(tǒng)計(jì)（單位：m）

從表1數(shù)據(jù)可以得出測區(qū)平面精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：X方向中誤差為0.065 m，最大誤差為-0.108 m，Y方向中誤差為0.089 1 m，最大誤差為0.154 m，平面坐標(biāo)中誤差為0.112 m，最大誤差為0.198 m，均滿足規(guī)范要求。

3.2 高程精度分析

同樣可以算出測區(qū)的高程誤差和精度，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 測區(qū)檢查點(diǎn)的高程精度統(tǒng)計(jì)（單位：m）

從表2 數(shù)據(jù)可知，測區(qū)的高程中誤差為0.274 m，最大誤差為0.438 m，該測區(qū)地形起伏不大，大多屬于平地和丘陵地，滿足1∶500地形圖對高程精度要求。

4 結(jié)語

系統(tǒng)闡述了無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)在大比例成圖中的完整流程，通過實(shí)例精度分析，可以得到結(jié)論：在控制好成圖過程誤差傳播，嚴(yán)格按照規(guī)范要求獲取影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理過程嚴(yán)格把關(guān)，無人機(jī)航測大比例尺地形圖可達(dá)到1∶500 比例尺的成圖精度，尤其是在平原地區(qū)平面精度和高程精度都很高，可以在該地區(qū)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。