基于無人機航測大比例尺制圖研究

郭結瓊，王法景

(1.青島市城市規(guī)劃設計研究院，山東 青島 266071；2.楊凌職業(yè)技術學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

無人機航測技術作為新型測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)手段，在傳統(tǒng)數(shù)字測圖、正射影像生產(chǎn)等方面有其傳統(tǒng)測量不可替代的優(yōu)勢[1-3]。利用無人機生產(chǎn)制作4D測繪產(chǎn)品、三維建模成為行業(yè)的熱門話題。本文基于傳統(tǒng)攝影測量技術，結合國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略無人機航測正射影像生產(chǎn)、大比例尺制圖工程實施實例，利用大疆系列無人機易操作、可靠度高且具備實時差分、免像控的綜合優(yōu)勢，采用達北公司研發(fā)的智行平民化無人機智能操作系統(tǒng)—“智行”航線規(guī)劃軟件進行前期數(shù)據(jù)采集，采用兩種不同方案進行大比例尺航測正射影像、地形圖生產(chǎn)。第一種內(nèi)業(yè)生產(chǎn)方案采用Pix4D軟件對航飛數(shù)據(jù)進行空三測量，得到數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)，經(jīng)過濾波和平滑處理后，得到數(shù)字高程模型(DEM)，再將空三成果恢復立體，用立體采集軟件EPS進行地形圖采集，得到1∶1 000數(shù)字線化圖(DLG)，完成大比例尺地形圖測量工作。利用ContexCapture Center(CC)、清華山維EPS作為內(nèi)業(yè)生產(chǎn)的第二套方案，并在精度方面與前者進行比較。實驗結果表明，雖然后者普及率不如前者，但能得到更高的測量精度，可以作為無人機航測內(nèi)業(yè)處理的有效補充。

1 影像獲取及預處理

項目所在地溝壑縱橫，高差相對較大，不利于傳統(tǒng)全站儀、RTK等手提式的儀器進行現(xiàn)場實測。綜合當?shù)貙嶋H情況，本項目采用目前國內(nèi)先進的大疆無人機航測遙感系統(tǒng)來進行測繪。依據(jù)項目實際要求，所提供的正射影像需要優(yōu)于1∶2 000的分辨率。針對山區(qū)信號差，無法加載地圖這一問題，本項目采用離線地圖的方式進行，在信號好的地方提前將測區(qū)離線地圖數(shù)據(jù)加載，確保在信號較差的地方依然能完成作業(yè)，獲取完整的無人機遙感影像。

1.1 影像數(shù)據(jù)獲取

結合本次項目工程中的實際地形特點，大面積正射影像生產(chǎn)時，將測區(qū)劃分為4個測區(qū)，最后通過軟件進行相關影像鑲嵌。為保證成圖質(zhì)量，提前制作無人機標靶作為像控點并利用RTK進行像控點的坐標采集，同時選擇少量作為檢核點對成圖質(zhì)量進行檢測。

1.2 飛行質(zhì)量檢查

在外業(yè)飛行過程中，作業(yè)人員通過地面站實時監(jiān)測無人機飛行狀態(tài)，確保外場飛行安全和數(shù)據(jù)完整。在外場數(shù)據(jù)采集完成后，可現(xiàn)場通過智行軟件檢圖功能對本次采集的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，確保相片有效范圍覆蓋整個測區(qū)。

1.3 空三解算

項目正射影像部分分別采用ContexCapture Center(CC)和Pix4D的方式生成測區(qū)點云數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型DSM和數(shù)字正射影像圖DOM。由于空三匹配中連接點線性關系、迭代性等，空三報告精度并不能很好地代表測圖精度，因此應先檢查點精度，才能進行地形圖DLG生產(chǎn)作業(yè)。圖1為正射影像。

2 兩種地形圖生產(chǎn)方法

傳統(tǒng)的數(shù)字線劃圖DLG生產(chǎn)采用如VirTuoZo、JX-4等在立體像對上進行采集。但此方法存在專業(yè)性強、數(shù)據(jù)采集速度慢等缺點。因此本文結合現(xiàn)有的軟件優(yōu)勢，采用Pix4D和CASS相結合、CC+EPS相結合的方式獲取測繪地形圖，并對兩種成圖結果進行了檢驗，對兩種方法的成圖精度進行了分析[4-7]。

圖1 正射影像

2.1 Pix4D、CASS相結合生產(chǎn)地形圖

通過Pix4D軟件生產(chǎn)高分辨率的正射影像圖,利用CASS軟件加載數(shù)據(jù)量比較大的優(yōu)點,將Pix4D軟件生產(chǎn)的高分辨率正射影像數(shù)據(jù)加載到軟件繪圖界面,已加載的高分辨率正射影像圖為基礎，依據(jù)國家基本比例尺地形圖圖示和外業(yè)測圖規(guī)程等規(guī)范要求對任務區(qū)域進行數(shù)字化成圖工作，實現(xiàn)測區(qū)內(nèi)建筑物、道路、植被等各類地物地貌的矢量化;完成測區(qū)整體地物繪制后添加采集到的高程數(shù)據(jù)，并在高程點的基礎上對需繪制等高線的區(qū)域構建三角網(wǎng)、生成等高線；完成成圖工作后對整個任務區(qū)的成果進行綜合的檢查、圖幅整飾等處理,最終得到完整的任務區(qū)大比例尺地形圖成果。

2.2 CC、EPS相結合生產(chǎn)地形圖

首先利用CC傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件對獲取的高分辨率、高重疊度影像數(shù)據(jù)進行空中三角測量，然后經(jīng)過影像的密集匹配、三角網(wǎng)構建和紋理映射等處理，最終根據(jù)需要生成測區(qū)真正射影像等；然后以EPS三維測圖系統(tǒng)將獲取的DOM和DSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EPS可識別的格式,實現(xiàn)EPS中正射影像和三維模型的加載，通過二維和三維兩種數(shù)據(jù)進行二三為的聯(lián)動操作，進行任務區(qū)域大比例尺地形數(shù)據(jù)采集工作。

在數(shù)字化成圖的過程中，通過對三維窗口中的實景三維模型的高程信息進行合理采集，可以直接得到測區(qū)內(nèi)分布合理的高程點數(shù)據(jù)，在高程點的基礎上構建三角網(wǎng),并進一步繪制生成所需等高距的等高線。最后對整個任務區(qū)域的數(shù)字化成果進行綜合的檢查、整飾以及拓撲關系質(zhì)檢等相關處理,即可輸出得到最終的大比例尺地形圖成果。

3 精度分析

兩種方法在進行正射影像生產(chǎn)、地形圖制作等有其各自的優(yōu)勢。為了比較兩種成圖方案的成圖精度，選擇測區(qū)內(nèi)之前布好的像控點標靶5個檢核點對兩種測圖方法進行精度評定，Pix4D+CASS的測圖精度如表1所示，CC+EPS測圖精度如表2所示。

表1 Pix4D+CASS測圖精度評定

表2 CC+EPS測圖精度評定

依據(jù)低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范和1∶500，1∶1 000，1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范等要求。從表1和表2可以看出，上述兩種成圖方案都能滿足大比例尺測圖的規(guī)范和要求[8-10]。通過兩種方法的測圖進行對比，在平面精度方面，采用Pix4D+CASS成圖方案和CC+EPS成圖方案基本一致，均保持了很好地測圖精度，而在高程精度方面，CC+EPS測圖精度要顯著優(yōu)于Pix4D+CASS的測圖方法。分析其原因，主要是EPS能夠三維可視化，這是CASS二維所不能達到的，三維能夠顯著改善地物的辨識度，提高測圖精度。

4 結語

本文基于達北“智行”系列無人機航測系統(tǒng)，結合實際航測正射影像、地形圖大比例尺生產(chǎn)案例為依托，利用“智行”航線規(guī)劃軟件進行前期數(shù)據(jù)采集，利用CC+EPS、Pix4D+CASS兩種方式進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，獲取正射影像與大比例尺地形圖。結果表明：兩種方法能夠高質(zhì)量完成大比例尺測圖的要求，Pix4D和CASS方案較為常用，能降低生產(chǎn)成本、使用效率高；CC和EPS方案相比較前者具有更高的測量精度，尤其是高程精度方面，但是效率相對較低。