無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)在DOM快速更新中的應(yīng)用

吳 棟，周旺輝，蔡東健

(蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)是近年來興起的測量技術(shù)，無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、應(yīng)用簡便，比常規(guī)大飛機(jī)航攝節(jié)約成本和時(shí)間，被越來越廣泛地應(yīng)用于測繪生產(chǎn)中。但無人機(jī)測量系統(tǒng)輕，易受氣流影響，導(dǎo)致航跡不規(guī)整、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，且搭載的非量測相機(jī)會(huì)產(chǎn)生影像變形大、像幅小數(shù)量多等問題。

本文結(jié)合中馬欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)的1∶1 000 DOM快速更新項(xiàng)目，采用UASMaster軟件實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在中小區(qū)域的大比例尺DOM快速更新應(yīng)用，為生產(chǎn)作業(yè)和應(yīng)急響應(yīng)提供參考。

1 無人機(jī)移動(dòng)測量系統(tǒng)

無人機(jī)移動(dòng)測量系統(tǒng)主要由飛行平臺、傳感器、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4個(gè)部分組成。無人機(jī)把成像傳感器攜帶至空中指定地點(diǎn)和航高，按計(jì)劃航線飛行，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取。無人機(jī)移動(dòng)測量系統(tǒng)生成DOM主要的流程包括影像預(yù)處理、影像匹配、空中三角測量、DEM生成和DOM制作。

1.1 影像預(yù)處理

影像預(yù)處理主要是對無人機(jī)獲取的影像進(jìn)行畸變差校正、濾波變換、金字塔建立，以保障后續(xù)影像處理的效率、精度。

1.1.1 影像畸變校正

無人機(jī)搭載的成像傳感器通常為非量測相機(jī)，存在較大鏡頭畸變，導(dǎo)致航攝影像存在光學(xué)畸變誤差，主要包括徑向畸變差和切向畸變差。按式(1)的布朗像點(diǎn)改正公式可計(jì)算鏡頭畸變所引起的像點(diǎn)坐標(biāo)改正值：

(1)

1.1.2 濾波變換

進(jìn)行Wallis濾波變換可以增強(qiáng)影像的對比度、減少噪聲，提高Harris算子等提取點(diǎn)特征的數(shù)量和精度，進(jìn)而保障影像匹配結(jié)果的可靠性和精度。

1.1.3 建立金字塔影像

為了得到精度高、可靠性好的同名像點(diǎn)，一般采用一種自頂向下、由粗到精、不斷細(xì)化的金字塔影像分級匹配策略。

1.2 空中三角測量

空三處理主要任務(wù)是利用影像匹配提取的特征點(diǎn)和少量GCP，將整個(gè)測區(qū)的影像納入統(tǒng)一的物方坐標(biāo)系，獲取每張影像的外方位元素和加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)(圖2-a)。影像匹配方法根據(jù)利用的影像信息可分為基于坐標(biāo)信息方法、基于灰度信息方法、基于變換域的方法以及基于特征匹配的方法。無人機(jī)影像的空三主要采用光速法區(qū)域網(wǎng)平差。

圖1 影像畸變校正原理

圖2 DOM生成

1.3 DEM生成

空三完成后恢復(fù)了各像片的外方位元素，結(jié)合影像密集匹配結(jié)果，利用前方交會(huì)公式計(jì)算同名點(diǎn)的三維坐標(biāo)，獲得密集三維離散點(diǎn)云。然后內(nèi)插格網(wǎng)點(diǎn)建立矩形格網(wǎng)DEM或直接構(gòu)建TIN。

1.4 DOM生成

根據(jù)前期生成的影像外方位元素、DEM(DTM)和要求的地面分辨率，以共線方程為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字微分糾正，逐像素進(jìn)行處理，獲得整個(gè)影像的正射影像(圖2-b)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 中馬欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)

中國-馬來西亞欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)是中馬兩國投資合作旗艦項(xiàng)目，位于廣西欽州市南部，規(guī)劃面積55 km2，其中未開發(fā)的48 km2區(qū)域多為丘陵地貌，地質(zhì)、地貌構(gòu)造較復(fù)雜，交通不便，增加了日常巡查的難度。鑒于以上特點(diǎn)，本文采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)獲取高頻率和高精度的DOM。

2.2 無人機(jī)影像快速獲取

本項(xiàng)目使用自制YT-G101型無人機(jī)作為飛行平臺，使用SONY ILCE-5100相機(jī)采集影像，采用PixHawk飛控系統(tǒng)和Mission Planner地面站系統(tǒng)，搭載uBlox GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。本次共設(shè)計(jì)8個(gè)架次，每個(gè)架次8-9條航線，按區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法布設(shè)43個(gè)像控點(diǎn)，(圖3、表1)。

2.3 基于UASMaster軟件的數(shù)字正射影像圖制作

UASMaster集成空三加密、DSM/DEM提取和編輯、正射校正和鑲嵌勻色等航攝影像處理全部模塊。本文使用UASMaster軟件處理中馬欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)的無人機(jī)航攝影像、生成1∶1 000 DOM，并對無人機(jī)大比例尺成圖航攝產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)流程進(jìn)行研究和探討。

圖3 無人機(jī)航攝示意圖

區(qū)域名稱中馬欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)試驗(yàn)區(qū)地形丘陵地區(qū)攝影相機(jī)SONY ILCE-5100檢校焦距/mm20.426影像分辨率/像素6 000×4 000像素大小/μm3.889航攝比例尺1/17379拍攝面積/km260平均航高/m355架次(航線數(shù))/次(條)8(84)像片總數(shù)/張6151航向重疊度/%70-75旁向重疊度/%60-70航攝方向東西向像控點(diǎn)/個(gè)43

使用UASMaster處理影像生成1∶1 000 DOM的流程主要分為項(xiàng)目準(zhǔn)備、影像配準(zhǔn)與空三處理、DEM生成與編輯、影像鑲嵌融合4個(gè)步驟(圖4)。

圖4 UASMaster處理流程圖

2.4 結(jié)果分析

使用UASMaster生成的園區(qū)DOM(圖5)，本次共投入1個(gè)小組1臺工作站，像控點(diǎn)布設(shè)及測量花費(fèi)4 d，航攝2 d，影像處理10 d，共計(jì)16 d/組，作業(yè)效率較傳統(tǒng)航測提高較多。通過整體檢查和抽樣檢查2種方式，檢查本次DOM成果質(zhì)量。

圖5 中馬欽州產(chǎn)業(yè)園區(qū)1∶1 000 DOM

整體檢查主要包括檢查正射影像成果是否清晰易讀、紋理是否清楚、過渡是否自然、反差是否適中、色調(diào)亮度是否均勻一致，影像有無重影、模糊、斷裂等情況，影像色彩是否真實(shí)；影像接邊處影像的亮度、反差、色彩是否一致等情況。結(jié)果表明，產(chǎn)業(yè)園區(qū)1∶1 000 DOM各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

抽樣檢查主要是對DOM的位置精度作檢查，同時(shí)對選中的影像目視效果做精細(xì)檢查。檢查點(diǎn)由使用GPS測量的噴漆點(diǎn)、使用GPS測量的道路標(biāo)線特征點(diǎn)、已有1∶500地形圖提取的特征點(diǎn)3部分組成(圖5)。依據(jù)規(guī)范平地、丘陵地DOM平面位置中誤差不應(yīng)大于圖上0.5 mm(表2)。

表2 DOM平面位置精度統(tǒng)計(jì)分析

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的航攝相比，通過無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)生產(chǎn)中小型區(qū)域DOM效率更高、精度更好、成本更低。由于無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、應(yīng)用簡便、獲取的影像分辨率高，在以后的測繪工程中，可以更加快速地獲得更多有效的地形信息。