無(wú)人機(jī)和地面三維激光掃描儀在1:500 城市基本地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

常志喜

（中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院浙江華東建設(shè)工程有限公司,浙江 杭州 310030）

引言

隨著城市的不斷擴(kuò)張,城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異,地理空間信息也變得異常復(fù)雜[1]。為了更好地滿足城市的規(guī)劃、建設(shè),管理城市的地理信息,需要不斷地更新城市地形圖,這離不開(kāi)大量的基礎(chǔ)測(cè)繪工作[2],特別是大比例尺的測(cè)圖工作中,對(duì)測(cè)繪的精度和周期要求較高。在傳統(tǒng)的測(cè)繪方法中,大量的測(cè)繪方法應(yīng)用的測(cè)試設(shè)備主要集中在水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、移動(dòng)基站RTK 和傳統(tǒng)的航空攝影,這些測(cè)試方法和測(cè)試手段往往需要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理,導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下,成果產(chǎn)出周期較長(zhǎng),也顯得尤為不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái),消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影設(shè)備的快速發(fā)展,搭載的攝像頭分辨率越來(lái)越高,測(cè)試功能也日益豐富,使得無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于地形測(cè)量、工程測(cè)繪、房地一體化測(cè)量、農(nóng)村土地確權(quán)等領(lǐng)域,具有高效率、重量輕、低成本、操作靈活、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。地面三維激光掃描作為無(wú)接觸的大比例尺測(cè)圖方法,本文選擇其作為無(wú)人機(jī)傾斜攝影成果的對(duì)比方法,以驗(yàn)證無(wú)人機(jī)傾斜攝影在大比例城市基本地圖測(cè)繪中的可行性。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的測(cè)繪原理

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影的測(cè)繪原理 傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)是以正射影像為理論基礎(chǔ)的地理信息測(cè)繪方法,而無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)則是伴隨著遙感技術(shù)的演變以及消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)設(shè)備的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)[4],它通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)攝影傳感器設(shè)備,從多個(gè)角度對(duì)地形地物進(jìn)行影像采集,結(jié)合了正攝影像處理技術(shù)和傾斜影像處理技術(shù),以高斯卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了影響的尺度變換,如公式（1）所示,依賴三維實(shí)景建模處理軟件對(duì)采集的三維影像數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工輔助的空三加密處理,以完全準(zhǔn)確地重新構(gòu)建地形地物的三維影像。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影在城市大比例基本地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用流程如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)的地物圖像處理結(jié)果

式中：G（x,y,σ）為高斯函數(shù)；x、y 為平面坐標(biāo)；σ 為卷積變換尺度；L（x,y,σ）為尺度空間；I（x,y）為二維圖像。

1.2 地面三維激光掃描的測(cè)繪原理 地面三維激光掃描技術(shù)也是一種高新測(cè)繪技術(shù),能夠通過(guò)配備的LIDAR激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非接觸的全景化高清三維彩色散點(diǎn)掃描[5]。掃描時(shí),三維激光掃描儀器發(fā)射激光脈沖,測(cè)量光源與待測(cè)物體之間的垂直距離L,并旋轉(zhuǎn)水平馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置獲取各激光水平掃描角度α,另外,三維激光掃描儀器也可以旋轉(zhuǎn)垂直馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置獲得各激光垂直掃描角度β,依據(jù)幾何換算關(guān)系可以獲得待測(cè)物體任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)值,換算方法如公式（2）所示[6]。

式中：x、y、z 為待測(cè)物體的三維空間坐標(biāo)值,m；α 為激光雷達(dá)水平掃描角度,°；β 為激光雷達(dá)垂直掃描角度,°；L 為激光雷達(dá)發(fā)射儀至待測(cè)物體表面點(diǎn)的直線距離。

2 工程測(cè)區(qū)基本情況

浙江省WZ 市某工業(yè)園區(qū)位于城市東北角,受到工廠生產(chǎn)以及封閉式管理模式的影響,工業(yè)園區(qū)四周修筑有花壇隔離帶、圍墻以及大門,測(cè)繪人員無(wú)法對(duì)園區(qū)內(nèi)部進(jìn)行訪問(wèn)。因此,傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀和移動(dòng)基站GNSS-RTK 測(cè)繪方法的作業(yè)難度較大,不能夠達(dá)到測(cè)繪目的。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地形相對(duì)平緩,道路和場(chǎng)地已硬化,整個(gè)園區(qū)呈規(guī)則的矩形,南北向長(zhǎng)度約650 m,東西向?qū)挾燃s420 m,面積約273 000 m2。園區(qū)內(nèi)分布的地物主要有工業(yè)廠房、道路、花壇、大門、停車場(chǎng)和井蓋等,而園區(qū)外分布的地物主要有道路、建筑物等,成果需提供1:500 大比例尺地形圖。本文嘗試采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量成果的綜合對(duì)比分析。

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量設(shè)備為大疆精靈4RTK 智能航測(cè)無(wú)人機(jī),圖像三維處理軟件為Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件。無(wú)人機(jī)具備旋翼數(shù)量為6翅,槳葉類型為全碳纖折疊槳,起飛和降落方式為垂直起降,能夠?qū)崿F(xiàn)POS 輔助自動(dòng)導(dǎo)航,搭載5 個(gè)傳感器鏡頭,鏡頭垂直焦距為20 mm,傾斜焦距為30 mm,無(wú)人機(jī)設(shè)備的軸距為1 200 mm,典型的飛行高度達(dá)到60 m～750 m,最大飛行高度為4 500 m,典型的巡航速度不超過(guò)10s-1,最大旋轉(zhuǎn)角度為250°/s,最大續(xù)航時(shí)間為30 min,衛(wèi)星定位模塊為GPS/GLONASS,影響位置精度≤±5 m,水平懸停精度為±1.5 m,可遙控距離為5km,遙控器工作頻率為2.4 GHz～2.483 GHz。由無(wú)人機(jī)相機(jī)配備的傳感器元件配置情況,可以計(jì)算得到攝影航高為750 m 時(shí),對(duì)應(yīng)的的地面分辨率為0.2 m,攝影航高為560 m時(shí),對(duì)應(yīng)的的地面分辨率為0.15 m,攝影航高為300 m 時(shí),對(duì)應(yīng)的地面分辨率為0.08 m,攝影航高為185 m 時(shí),對(duì)應(yīng)的的地面分辨率為0.05 m[7]。測(cè)繪時(shí),無(wú)人機(jī)對(duì)園區(qū)的飛行時(shí)間約30 min,采集了正射影像350 張,傾斜影像620 張。

地面三維激光掃描測(cè)繪采用的是美國(guó)天寶公式（Trimble Inc.）高速三維激光掃描儀器Trimble X7,處理軟件為Trimble Perspective。掃描儀器置伺服驅(qū)動(dòng)EDM,集多鏡頭影像、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)配準(zhǔn)技術(shù)和測(cè)繪級(jí)自動(dòng)整平多項(xiàng)技術(shù)融于一體,激光波長(zhǎng)為1 550 mm,激光轉(zhuǎn)速為200 線/s,視場(chǎng)為360°×282°,掃碼時(shí)間為2′34″,最大掃描速度為500 kHz,測(cè)距進(jìn)度為2 mm,單張照片的分辨率為3 840×2 746 像素,相機(jī)曝光間距15m[8]。測(cè)繪時(shí),三維激光掃描對(duì)園區(qū)的掃描時(shí)長(zhǎng)為1d,采集照片2 300 張。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的測(cè)繪結(jié)果分析

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的圖像處理對(duì)比 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集的影像,利用Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件讀取圖像的可交換圖像文件格式（EXIF 格式）和POS 數(shù)據(jù)（BLH 格式）,人工設(shè)置坐標(biāo)系,將BLH 格式轉(zhuǎn)換成目標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)值x、y、z。依賴Context Capture Master 三維智能地理信息處理軟件的空三加密解算功能,對(duì)影像圖片進(jìn)行三維模型的重建,實(shí)現(xiàn)圖像從二維DOM域轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型,如圖1 所示。從圖中可以看出,構(gòu)建的地形圖平整度好,能清晰直觀地反映地形地物的紋理和色彩,解算的三維模型具有高分辨率,通過(guò)軟件能夠任意獲取地形地物點(diǎn)的空間坐標(biāo)值,甚至可以提供TIF 格式的影像圖切片,為地形圖的利用提供良好的基礎(chǔ)。

地面三維激光掃描通過(guò)發(fā)射激光無(wú)接觸地獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖2a 所示,隨后利用Trimble Perspective 軟件對(duì)數(shù)據(jù)的完整性、點(diǎn)云的質(zhì)量進(jìn)行檢查,對(duì)不同測(cè)站不同方向掃描的數(shù)據(jù),軟件能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)源配準(zhǔn),將點(diǎn)云數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下,通過(guò)點(diǎn)云拼接和點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波后,重構(gòu)三維影像,如圖2b 所示。從圖中可以看出,地面三維激光掃描得到圖片質(zhì)量與無(wú)人機(jī)傾斜攝影得到的圖片質(zhì)量一致,表明采用這兩種方法都應(yīng)用于大比例尺城市基本地形圖的測(cè)繪中,但是地面三維激光掃描技術(shù)需要耗費(fèi)更多的外業(yè)時(shí)間,同時(shí)得到的云點(diǎn)數(shù)據(jù)量大,對(duì)設(shè)備內(nèi)存配置、運(yùn)行速率和存儲(chǔ)空間等要求較高,內(nèi)業(yè)編輯工作量略大,在時(shí)效性上無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

圖2 地面三維激光掃描技術(shù)的地物圖像處理結(jié)果

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描的精度對(duì)比 表1為無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測(cè)繪精度成果對(duì)比。從表中可以看出,兩種測(cè)繪方法得到的地物坐標(biāo)結(jié)果十分相近,坐標(biāo)x的誤差△x 最大值為0.076 5 m,最小值為0.014 5 m,平均值為0.042 8 m；坐標(biāo)y 的誤差△y 最大值為0.079 8 m,最小值為0.008 3 m,平均值為0.051 2 m。坐標(biāo)點(diǎn)的平面誤差△xy（計(jì)算公式如公式（3）所示）

表1 無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)和地面三維激光掃描技術(shù)的地物測(cè)繪成果對(duì)比

坐標(biāo)點(diǎn)的平面誤差△xy 的最大值為0.105 6 m,最小值為0.023 3 m,平均值為0.070 4 m。

由以上分析表明,無(wú)論是坐標(biāo)x 的誤差△x 還是坐標(biāo)y 的誤差△y 還是坐標(biāo)點(diǎn)的平面誤差△xy,其最大值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5 m,因此滿足測(cè)繪成果規(guī)范的要求,無(wú)人機(jī)傾斜攝影在大比例尺城市基本地形圖測(cè)繪中具有適用性,解譯精度高。

4 結(jié)論

以浙江省WZ 市某工業(yè)園區(qū)地形圖測(cè)繪為研究對(duì)象,采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影和地面三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方式對(duì)園區(qū)地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,分別采用專用軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)件,并對(duì)比兩者的解譯精度,得到以下幾個(gè)結(jié)論：（1） 無(wú)人機(jī)傾斜攝影可實(shí)現(xiàn)二維和三維模型的相互轉(zhuǎn)換,構(gòu)建的地形圖平整度好,能清晰直觀地反映地形地物的紋理和色彩,解算的三維模型具有高分辨率,通過(guò)軟件能夠任意獲取地形地物點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。（2） 地面三維激光掃描技術(shù)得到的云點(diǎn)數(shù)據(jù)量大,對(duì)設(shè)備內(nèi)存配置、運(yùn)行速率和存儲(chǔ)空間等要求較高,內(nèi)業(yè)編輯工作量略大,在時(shí)效性上無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。（3） 無(wú)人機(jī)傾斜攝影得到的平面誤差遠(yuǎn)小于0.5 m,滿足測(cè)繪成果規(guī)范的要求,在大比例尺城市基本地形圖測(cè)繪中具有適用性,解譯精度高。