分層航攝在峽谷溝道地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用效果

楊昆侖，彭方輝，武換咪

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

傾斜攝影技術(shù)是從垂直、傾斜等不同角度采集影像,獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。隨著小型低空無人機(jī)的快速發(fā)展,搭載高分辨率數(shù)碼相機(jī),使得低空無人機(jī)航攝技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪方面得到廣泛的應(yīng)用,因其具有方便快捷、成本低、工作量小、反應(yīng)迅速等特點(diǎn),使得它在小區(qū)域、地形條件復(fù)雜、人難以到達(dá)等地區(qū)的高分辨率影像獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì),成為對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)的有效補(bǔ)充[1]。

分層航攝是建立在航攝分區(qū)的基礎(chǔ)上,航攝分區(qū)主要由地形高差、地物景物反差、地貌類型及航攝飛機(jī)側(cè)前方安全距離與安全高度等因素確定,分層航攝是在分區(qū)的基礎(chǔ)上,為了確保航攝影像的地面分辨率而在不同高度層上的航攝,可以在不同分區(qū)或同一分區(qū)內(nèi)使用不同的相對(duì)航高來實(shí)現(xiàn)分層的目的。

目前對(duì)于地形復(fù)雜的小區(qū)域地形圖測(cè)繪通常會(huì)采用小型無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法。小型無人機(jī)所搭載的相機(jī)鏡頭焦距一般較小,為了達(dá)到大比例尺地形圖所需的地面分辨率,需要飛行的相對(duì)航高較小,帶來較大安全隱患,因此需要進(jìn)行分區(qū)域,分高度進(jìn)行航攝,以確保每個(gè)分區(qū)內(nèi)有效航攝區(qū)域地面分辨率滿足規(guī)范要求。針對(duì)陜西省咸陽市彬州市公劉教稼苑景區(qū)防護(hù)工程測(cè)量項(xiàng)目中的峽谷溝道1∶500地形圖測(cè)繪,采用的分區(qū)分層航攝的方法確保了地面分辨率達(dá)到0.05 m,滿足1∶500 比例尺地形圖航測(cè)要求。

1 項(xiàng)目概況

公劉教稼苑景區(qū)位于陜西省咸陽市彬州市城東45 km 處的龍高鎮(zhèn)土陵村涇河左岸的山谷之間,為省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。公劉教稼苑景區(qū)防護(hù)工程是東莊水利樞紐工程的一部分,工程位于涇河左岸土陵溝內(nèi),距東莊水庫壩址上游約54 km 處,防護(hù)整治段溝道長約1 km,設(shè)計(jì)防護(hù)堤線起點(diǎn)位于土陵溝與布村溝交匯處下游約500 m,終點(diǎn)位于土陵溝底789.50 m 高程處。本次整治段溝道需測(cè)繪1∶500 地形圖,溝道最低高程740 m,梁頂高程900 m,溝道最窄 距離80 m,深度90 m,屬于峽谷溝道地形。

2 航攝外業(yè)

2.1 航攝地面分辨率及航攝分區(qū)

2.1.1 地面分辨率

低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[2]中規(guī)定1∶500 地形圖地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.05 m。

2.1.2 航攝分區(qū)

結(jié)合本項(xiàng)目地形條件,在保證有效地面分辨率優(yōu)于0.05 m的條件下進(jìn)行進(jìn)行航攝分區(qū),采用以下公式（1）確定相對(duì)航高,計(jì)算各攝區(qū)最高點(diǎn)、最低點(diǎn)及起飛點(diǎn)的地面分辨率（詳見表1）。

表1 相對(duì)航高及地面分辨率

式中：H 為航高,m；f 為鏡頭焦距,mm；GSD 為地面分辨率,m；a 為像元尺寸,mm。

該項(xiàng)目使用的大疆精靈4 PRO 無人機(jī)的自帶相機(jī), f=8.8 mm,a=2.41μm。地面分辨率優(yōu)于0.05 m,因此,航高最大為183 m,根據(jù)地形高差及最大航高對(duì)該攝區(qū)進(jìn)行分區(qū),共分為5 個(gè)分區(qū)。

2.2 航攝重疊度

低空數(shù)字航空攝影規(guī)范[2]中規(guī)定航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%。由于本測(cè)區(qū)為峽谷溝道地形,結(jié)合項(xiàng)目中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),航向設(shè)計(jì)為80%,旁向設(shè)計(jì)為70%。根據(jù)各攝區(qū)的地形高差,按照公式“最高點(diǎn)重疊度=重疊度+（1-重疊度）×（基準(zhǔn)面-最高點(diǎn)）/相對(duì)航高”計(jì)算出最高點(diǎn)的最小航向重疊度為70%,旁向重疊度最小為54%,均滿足規(guī)范要求。見表2。

表2 各分區(qū)航攝統(tǒng)計(jì)表

2.3 像控布設(shè)與測(cè)量

2.3.1 像控點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)規(guī)范要求及航線規(guī)劃等因素,結(jié)合項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),像控點(diǎn)按照航向及旁向300 m 為間距在各交點(diǎn)處布設(shè)。測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)像控點(diǎn)20 個(gè)（見圖1）。

圖1 測(cè)圖范圍及像控點(diǎn)布設(shè)圖

2.3.2 像控點(diǎn)地面標(biāo)志制作

像控點(diǎn)均在實(shí)地制作地面標(biāo)志,標(biāo)志以白灰（或白色布條）制作在地面空曠處。形狀為“L”形,線條單邊長度為0.6 m,寬度為0.2 m,測(cè)量的位置為“L”形外角拐點(diǎn)。見圖1。

2.3.2 像控點(diǎn)測(cè)量

采用RTK 的作業(yè)方法按圖根級(jí)精度進(jìn)行測(cè)量。

2.4 航攝

采用大疆精靈4PRO 無人機(jī)（搭載自帶相機(jī)）獲取傾斜和正射影像,采用DJI Pilot 軟件系統(tǒng)進(jìn)行航攝任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)及飛行控制,航攝分為5 個(gè)分區(qū),飛行15 個(gè)架次（5 個(gè)正射方向,10 個(gè)傾斜方向,傾斜角度為-60°）。分區(qū)1 和2 是在較高分層上對(duì)測(cè)區(qū)范圍的整體航攝,相對(duì)航高為200 m（分區(qū)2 為180 m）,可確保土陵溝溝邊及以上區(qū)域的地面分辨率達(dá)到0.05 m 以上,分區(qū)3、4、5 作為土陵溝溝邊及以下區(qū)域的航攝,相對(duì)航高為100 m,可確保最低溝心位置的地面分辨率達(dá)到0.05 m 以上,見圖2。各分區(qū)相對(duì)航高及地面分辨率見表1。外業(yè)航攝完成后統(tǒng)計(jì)出各分區(qū)的航攝參數(shù),見表2。

圖2 分區(qū)航攝航跡示意圖

3 航攝內(nèi)業(yè)

3.1 空三平差

采用光束法局域網(wǎng)平差方法進(jìn)行空三計(jì)算。使用ContextCapture Master 軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,主要包括新建工程、加載影像數(shù)據(jù)、提交自由網(wǎng)空三解算、加入像控點(diǎn)空三解算并生成空三平差報(bào)告。平差后基本定向點(diǎn)水平殘差最大點(diǎn)為0.021 m,小于限差±0.15 m；垂直殘差最大點(diǎn)為0.014 m,小于限差±0.23 m,均符合規(guī)范[3]要求。圖3 為分層航攝空三平差3D 視圖。

圖3 分層航攝空三平差3D 視圖

3.2 實(shí)景三維模型及正射影像圖（DOM）生產(chǎn)

建模處理工作站采用并行GPU 框架硬件。輸出的三維模型格式為：3 MX 和OSGB。為提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)速度,可將攝區(qū)分割成多個(gè)瓦片進(jìn)行處理。按分塊的三維模型制作DOM,每塊按4096×4096 像素大小輸出DOM 瓦片。輸出的DOM格式為TIFF。圖4 為三維模型示意圖。利用像控點(diǎn)的地面標(biāo)志在三維模型中對(duì)應(yīng)位置量取到三維坐標(biāo),與像控點(diǎn)成果進(jìn)行比較計(jì)算,利用其差值計(jì)算出基于像控點(diǎn)的平面位置中誤差和高程中誤差。見表3。

表3 基于像控點(diǎn)的三維模型精度統(tǒng)計(jì)表

圖4 三維模型示意圖

3.3 地形圖編繪

使用CASS10.1 軟件加載CASS_3D 模塊后,再添加三維模型進(jìn)行地物信息繪制,高程點(diǎn)數(shù)據(jù)采集,使用高程點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)生成等高線,基本等高距為1 m。最終進(jìn)行地形圖編輯與整飾。圖5 為整飾完成的地形圖局部裁剪圖。利用75 個(gè)實(shí)測(cè)地形點(diǎn)對(duì)地形圖圖幅等高線高程中誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.16 m,滿足規(guī)范中的限差±0.5 m 要求。

圖5 1:500 數(shù)字地形圖成果

4 結(jié)論

文中以公劉教稼苑景區(qū)防護(hù)工程1∶500 地形圖測(cè)繪為例,對(duì)分層航攝方法進(jìn)行了闡述,分層航攝的目的是為了確保航測(cè)地形圖中地面分辨率這一至關(guān)重要的因素能夠滿足規(guī)范要求。案例項(xiàng)目中地形復(fù)雜,屬于峽谷地形。分區(qū)1 和2 分別在絕對(duì)航高1036 m 和1016 m 的高度層上進(jìn)行了航攝,兩個(gè)分區(qū)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了完整的航攝,但溝邊及以下區(qū)域的地面分辨率已經(jīng)超過了0.05 m,分區(qū)3、4、5 在絕對(duì)航高936 m 的高度層上對(duì)溝邊及以下區(qū)域進(jìn)行了航攝,保證了溝邊及以下區(qū)域的地面分辨率達(dá)到0.05 m。通過5 個(gè)分區(qū)3 各高度層的航攝,確保了有效地形圖測(cè)繪范圍內(nèi)的地面點(diǎn)地面分辨率均達(dá)到了0.05 m。

航攝內(nèi)業(yè)空三平差后基本定向點(diǎn)水平殘差最大點(diǎn)為0.021 m,垂直殘差最大點(diǎn)為0.014 m；基于像控點(diǎn)的三維模型平面位置中誤差為±0.048 m,高程注記點(diǎn)中誤差為±0.045 m；利用RTK 實(shí)測(cè)地形點(diǎn)統(tǒng)計(jì)到地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.16 m。以上精度指標(biāo)均符合規(guī)范要求,表明采用分層航攝方法可以保障峽谷溝道地形圖航測(cè)精度。