無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其應(yīng)用探討

鐘金杏，王 晶，緱武龍，謝英凱

（1.高州市自然資源局（高州市不動產(chǎn)登記中心），廣東 高州 525200；2.廣東友元國土信息工程有限公司，廣東 廣州 510630；3.廣州愛遠土地房地產(chǎn)評估有限公司，廣東 廣州 510630；4.廣州市華南自然資源科學技術(shù)研究院，廣東 廣州 510630）

1 無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)

1.1 DOM及DEM技術(shù)

DOM技術(shù)也稱數(shù)字正射影像技術(shù)，該技術(shù)按照特定圖幅范圍，對數(shù)字微分進行糾正、鑲嵌、裁剪形成數(shù)字正射影像集，同時具備影像特征及地圖幾何精度特點[1]。DEM技術(shù)全稱為數(shù)字高程模型技術(shù)，是基于有限地形高程數(shù)據(jù)，構(gòu)建地面地形數(shù)字化模型（一組有序數(shù)值陣列形式），實現(xiàn)數(shù)字化表達的一種技術(shù)[2]。無人機測繪使用DEM技術(shù)的原理是：在空三加密基礎(chǔ)上，實現(xiàn)原始影像數(shù)據(jù)的重采樣，生產(chǎn)核線影像，通過系統(tǒng)自動匹配功能與三維離散點相互匹配，得到DSM后濾波處理獲得DEM。DEM與DOM相互影響，只有高精準度DEM才能保障DOM的高精度，特別是對一些陡壁、高架橋等特殊區(qū)域，需要手動添加特征線，單純依靠人工鑲嵌處理，工作量大，因此要盡可能規(guī)避這些建筑物，保障DOM接邊精度達標。

1.2 空中三角測量

空中三角測量簡稱空三加密，是通過航攝影片與被攝對象間的空間幾何關(guān)系，結(jié)合少量已知地面控制點，利用最小二乘法原理，快速求解影像自動加密問題，建立實地模型，獲得測點高程與平面坐標的技術(shù)手段，是數(shù)字測繪產(chǎn)品的核心[3]。在系統(tǒng)中，空三加密應(yīng)用流程如下。

（1）相對定向，利用計算機視覺算法進行匹配，確定相片關(guān)系。

（2）絕對定向，采用像控點+平差計算，將相對定向確定的相片關(guān)系解算至特定坐標系統(tǒng)內(nèi)，建立傳感器、影像、地面數(shù)學關(guān)聯(lián)。在進行空三計算時，會分別生成地面及空中三空，以地面部分點位為控制點，結(jié)合外業(yè)實測像控點剛性配準，生成新的空三，然后將地面及空中三空相互結(jié)合，優(yōu)化后獲得完整空三測量報告。

1.3 相機校驗

無人機在測繪過程中，非測量相機屬于必要搭載設(shè)備，其主距f和像主點在像片中心坐標系內(nèi)的坐標位置無法通過直接量測獲得，必須預(yù)先定好原點坐標。非測量相機在實際應(yīng)用過程中存在一定不足，如鏡頭畸變差大、像幅小、數(shù)量多。以頭畸變差大為例，會導致測量像點坐標偏差，繼而破壞像點、投影中心及對應(yīng)物方點之間的共線關(guān)系、物方坐標解算精度等，需要及時采取措施進行校正[4]。常用相機校正方法有自檢校法、試驗場檢校法、多像滅點檢校法。

1.4 PPK技術(shù)

PPK技術(shù)，全稱為動態(tài)后處理技術(shù)，是GPS技術(shù)的一種，主要通過載波相位進行事后差分。工作原理是：利用同步觀測基準站接收機和流動站接收機觀測衛(wèi)星載波相位觀測量，在計算機內(nèi)利用GPS處理軟件進行處理，線性組合后形成虛擬載波相位觀測量，確定接收機相互之間的關(guān)系，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后獲得流動站坐標[5]。該技術(shù)優(yōu)勢較為突出，主要體現(xiàn)在：①外界環(huán)境干擾小；②作業(yè)半徑大，達到30 km；③定位精度高，精度可達5 mm，誤差不傳播，不累積，能夠獲得高精度姿態(tài)信息（ψ，ω，κ），應(yīng)用于空中三角測量中。

2 無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 地形測繪

無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)可應(yīng)用于地形測繪工作中，主要工作流程是：由無人機攝影獲取數(shù)據(jù)，GPSRTK及全站儀獲得外業(yè)數(shù)據(jù)，利用DPS系統(tǒng)、空三加密、相片控制點等處理數(shù)據(jù)和進行測繪精度試驗，確定該無人機測繪方法能滿足地形測繪實際需求。以無人機傾斜攝影測繪1：500地形精度測繪為例，作業(yè)步驟是：項目任務(wù)確定→空域申請→航線設(shè)計→無人機航空攝影→數(shù)據(jù)檢查→影像處理→提交結(jié)果。在無人機實飛之前，做好前提準備工作，選擇適宜攝影時間、起落點位置等，如12月晴朗，適合攝影時間段[6]，上報至空域部門進行申請；申請通過后，正式開始無人機飛行攝影。本項目選用Phantom 4 Pro型號的無人機，搭載傳感器后進行飛行；在飛行階段需確定相片重合度、航線、航高等參數(shù)，其中，相片重合度可參考相關(guān)規(guī)范，將航向重疊度和旁向重疊度分別控制在60%～80%、15%～60%；航高（H）需要計算得出，公式為

式中，f為鏡頭焦距（mm）；GDS為地面分辨率（1：500地形圖地面分辨率不超過0.05m）；a為像元尺寸大小（mm2）。

無人機航空攝影完成后，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密、立體測圖等處理后，構(gòu)建實景三維模型，繪制地形圖，完成地形測繪工作。具體如下。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。將拍攝到的正射、斜射影像導入軟件，自動檢查攝影信息，去除不合規(guī)影像，添加相機參數(shù)，完成相片自動矯正[7]。編輯控制點，注明控制點位置信息，添加對應(yīng)影像，點擊保存后進行空三解算，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。

（2）空三加密。該地形圖為1：500，在前期攝影過程中，完成空三加密信息、相片控制點信息、測圖信息等搜集工作，以測量控制點位標準，對數(shù)據(jù)進行精度分析。在對具體空三加密量測控點期間，要綜合判斷點位位置，篩選處個別錯點、上下航線同名目標等，保障點位準確，并嚴格控制相對定向環(huán)節(jié)連接點上下視差中誤差。分析發(fā)現(xiàn)，空三加密點最大高程及平面誤差為0.2 m、0.163 m，中誤差分別為＋0.1 m、＋0.04 m；在進行檢點數(shù)據(jù)分析的過程中，發(fā)現(xiàn)高程及平面的最大誤差、中誤差分別為0.27 m、0.237 m，0.13 m、＋0.105 m，誤差值均在行業(yè)規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明在空三加密方面，該無人機攝影技術(shù)提供的技能，能夠滿足1：500地形圖精度需求。

（3）三維模型及地形圖編輯。在系統(tǒng)中加載三維實景模型，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，完成地物要素采集工作，并將對應(yīng)位置信息與控制點數(shù)據(jù)相互對比，發(fā)現(xiàn)地物要素平面坐標誤差為0～0.11 m，中誤差為0.06 m，高程中誤差為0.07 m，在1：500地形圖允許誤差范圍內(nèi)，即平面、高程中誤差分別＜0.2 m，＜0.2 m（平原）、＜0.4 m（丘陵），均符合地形圖測繪精度要求。同時，重視地形圖編輯工作，及時修改航內(nèi)判讀不清晰、不準確數(shù)據(jù)，修改不存在的地貌要素；在對所有圖幅進行拼接處理時，需要確保各個線狀要素完整，組好街道、街區(qū)總接邊；及時清理垃圾數(shù)據(jù)，如多余層、塊及線型等；對所有圖形均做好圖面檢查工作，確保數(shù)據(jù)準確。

2.2 環(huán)境監(jiān)測

無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，可用于航測影像快速獲取和處理，且獲取影像精度高，便于相關(guān)人員全面掌握區(qū)域環(huán)境污染程度和排污情況，增加環(huán)境保護工作成效[8]。以空氣質(zhì)量檢測為例，在無人機內(nèi)搭載氣體傳感器，用于收集各種基本信息，如氣體實時濃度、溫濕度、PM2.5、經(jīng)緯度、高度等，顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，勘察歷史數(shù)據(jù)，并生成曲線分析圖，便于對比查看，如對100 h內(nèi)PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和國控點數(shù)據(jù)進行比對，確定一段時間內(nèi)，空氣環(huán)境質(zhì)量；還可以通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至地面端，進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。工作流程是：打開氣體傳感器、上位機發(fā)送命令、自動識別氣體名稱和量程、反饋實時氣體濃度、處理采集到的各種數(shù)據(jù)、關(guān)閉氣體傳感器，在這一數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中，倘若發(fā)現(xiàn)氣體濃度超標，會自動報警，聯(lián)系責任人進行處理。另外，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)還可用于固定污染源監(jiān)測、海洋監(jiān)測、濕地監(jiān)測等領(lǐng)域。

2.3 災(zāi)情救援

縱觀近些年我國自然災(zāi)害發(fā)生情況，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生頻率越來越高，如暴雨災(zāi)害、地震災(zāi)害、洪澇災(zāi)害等，屢見報端，各種災(zāi)害后救援工作開始成為社會各界關(guān)注的重點。在這種情況下，將無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用其中，發(fā)揮關(guān)鍵作用，不僅能提升救援工作便利性，還能提高救援效率，拯救更多生命[9]。例如，基于無人機測繪攝影的應(yīng)急數(shù)據(jù)處理技術(shù)，主要使用軟件為Pix4Dmapper，包含高精度和快速處理兩種模式，可根據(jù)實際情況，選擇相應(yīng)模式，完成數(shù)據(jù)處理，獲得測繪產(chǎn)品。項目開展地區(qū)為某平原，測區(qū)面積共50 km2，在設(shè)計規(guī)劃的航攝區(qū)域和航線中，東西方向和南北方向相對航高為2000 m、1000 m，航向重疊70%，旁向重疊40%。采用無人機掛載飛思相機（焦距為50 mm、分辨率為10328×7760）完成數(shù)據(jù)處理，共拍攝相片數(shù)量為171張，10 cm分辨率測區(qū)面積為20 km2，相片數(shù)為126張；200 cm分辨率測區(qū)面積為30 km2，相片數(shù)為45張，獲得數(shù)據(jù)導入系統(tǒng)后處理。

該軟件數(shù)據(jù)快速處理流程是：POS數(shù)據(jù)準備與處理；新建工程，加載相片數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)；設(shè)置處理參數(shù)；一鍵處理數(shù)據(jù)，輸出DOM成果、DSM成果、空三成果、點云數(shù)據(jù)成果。數(shù)據(jù)處理完成后，對其成果進行檢驗。從處理模式及成果看，分別進行1：1000和1：2000成圖測試，基于原始數(shù)據(jù)量進行處理后（1：1000原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量為28.2 GB；1：2000原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量為10.1 GB；），發(fā)現(xiàn)處理后成圖后匹配點數(shù)量多且均勻（空三成果），點云加密可匹配得到高密度點云，生成10 cm和20 cm的DOM和DSM，成圖精度大大提升。最終生成的測繪產(chǎn)品質(zhì)量高，圖像無扭曲、拉花現(xiàn)象，顏色均勻，放大后，邊緣清晰可見，無錯位。同時，根據(jù)軟件生成精度報告可見，無論1：1000還是1：2000，其高程及平面精度均在應(yīng)急測繪數(shù)據(jù)處理范圍內(nèi)，如1：1000成圖高程精度＜0.643 m，平面精度＜0.465。但是，兩者實際處理效率，對應(yīng)原始數(shù)據(jù)大小及輸出成果等存在差異（具體見表1），倘若應(yīng)用于災(zāi)害救援，對精度要求不高，可適當降低參數(shù)要求，提升處理效率，以便快速獲得成果。

表1 不同比例尺產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理效率及精度比較

3 結(jié)束語

綜上所述，伴隨無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)快速發(fā)展，DOM及DEM技術(shù)、空中三角測量、相機校驗、PPK技術(shù)等也隨之成熟，技術(shù)優(yōu)勢進一步突顯，其應(yīng)用范圍也不斷擴大，在地形測繪、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)情救援等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，能夠用于不同區(qū)域數(shù)據(jù)和信息的有效、快速采集與數(shù)據(jù)處理，并得到了十分積極的反饋。未來，無人機測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)仍將有極大發(fā)展空間，應(yīng)加強技術(shù)研究與實踐，最大化發(fā)揮其積極價值。■