無人機航攝在丘陵地區(qū)大比例尺地形圖測繪中的應用研究

陳斯愷

(福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

福建的地理特點是“依山傍?！保绕涫侵形鞑看髟粕矫}西側(cè)更是接近90%為山地丘陵地帶，高差較大，森林覆蓋率達65.95%，采用常規(guī)性全野外數(shù)字化地形圖測量方式或平板儀測量方式獲取地形圖，成本高昂，且成圖效率很低。隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對于地形圖需求的不斷提升，低空無人機航攝基于其成本和效率2個方面的優(yōu)勢，逐漸在丘陵地區(qū)地形圖的繪制中得到廣泛的重視，并開始有所應用，但丘陵地區(qū)往往地形十分復雜，無人機航攝成圖的精度還有待進一步的驗證。因此，筆者主要對無人機航攝成圖技術(shù)應用于丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖的精度進行了分析探討。

1 無人機系統(tǒng)的組成及特點

1.1 系統(tǒng)的組成

無人機系統(tǒng)主要由2個部分組成，硬件平臺系統(tǒng)及相配套的軟件系統(tǒng)。其中硬件平臺系統(tǒng)主要由5個部分組成，分別為通信系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、無人機、拍攝任務(wù)系統(tǒng)及地面站[1]。

1.2 系統(tǒng)的特點

與傳統(tǒng)航空攝影測量相比，無人機航空攝影系統(tǒng)的主要特點：①無人機平臺飛行姿態(tài)不穩(wěn)、圖像小、重疊大，一般采用低成本、重量輕的非量測數(shù)碼相機；②無人機航空攝影系統(tǒng)所使用的無人航拍相機的像幅較小，通常為了最大限度地利用圖像的面積而設(shè)置為最大像幅模式。因為航拍照片的大小將直接影響攝影測量中基線的長度。當無人機用于航空攝影時，基線較短，而基線高度比相對較小，想要提高計算精度就變得更加復雜；③小型無人機飛行平臺的特性決定了它很容易受到低空氣流的干擾。無人機圖像的重疊程度要比傳統(tǒng)航空攝影的重疊程度大得多，使用無人機航空攝影時航向重疊率通常設(shè)置為75%～85%，旁向重疊率設(shè)置為35%～55%，以保證航空照片的質(zhì)量和后續(xù)處理結(jié)果的準確性。

2 無人機航攝成圖的精度控制要點

2.1 飛行姿態(tài)

無人機的飛行姿態(tài)對成圖精度有直接影響，因此，要做好以下4個方面的具體工作：①正確安裝航攝儀，并保證和機身之間的水平；②正確安裝自駕儀，并在使用過程中嚴格依照規(guī)定進行維護；③當無人機進行航線拍攝之前，要反復就飛機飛行中立位進行捕捉，直至達到最佳飛行狀態(tài)為止；④在設(shè)計航線時，應將風向的因素考慮其中，盡可能保證飛行作業(yè)時風向和航線設(shè)計方向一致[2]。

2.2 航線設(shè)計

對于無人機航攝成圖精度，航線設(shè)計是其關(guān)鍵性工作之一，在規(guī)劃航線的過程中，要將測區(qū)的地形特點、作業(yè)范圍、精度要求以及相機參數(shù)等因素考慮其中，保證設(shè)計航線的最優(yōu)化。主要具體檢查3個方面的內(nèi)容：①航線設(shè)計區(qū)域覆蓋完整性，并保證分區(qū)內(nèi)地形的高差不能大于相對航高的1/6；②規(guī)劃航線走向的合理性，避免像主點落水以及側(cè)風航行的問題；③存在自然因素以及飛行平臺造成的不穩(wěn)定影響，在拍照間距和航線間距的設(shè)定上應適當小于理論值[3]。

2.3 鏡頭檢校

無人機航拍所獲取的影像數(shù)據(jù)，在其邊緣處多少都會存在一些畸變，要通過參數(shù)檢校的方式對存在的畸變進行糾正，以保證后期影像的精準度。為確保檢校的精準度，必須定期按照規(guī)定在正規(guī)檢校單位進行檢校，在使用過程中如果出現(xiàn)強烈震動或儀器維修后也要進行檢校，確保主距、主點坐標以及畸變差改正后的殘余畸變符合規(guī)范要求[4]。

2.4 像控點布設(shè)方案

因為無人機所獲取影像航片的重疊度很大，在像片總數(shù)和航線數(shù)上都比常規(guī)航片要多出很多，繼而也就會導致外業(yè)量的增加，要合理進行像控點的布設(shè)以減少工作量，繼而提高測繪成圖的精度。具體對以下3個方面采取措施：①將地形條件作為像控布點的基本參考因素，提升對整個測區(qū)的控制力度；②在像控點的選擇時，應優(yōu)先選擇地物特征點處；③像控點設(shè)定時，應盡量設(shè)定在影像的六度重疊區(qū)域[5]。

3 無人機航攝在丘陵地區(qū)地形圖成圖中的應用現(xiàn)狀

我國傳統(tǒng)丘陵地區(qū)地形圖的成圖方式為全野外數(shù)字化地形圖測量方式或平板儀測量方式的成圖模式，其在成圖的精度和效率上都較低。無人機航攝是近幾年才逐漸發(fā)展起來的一項新技術(shù)，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉和軍事領(lǐng)域。隨著無人機整體技術(shù)的不斷成熟，鑒于其高精度的拍照能力，在我國地形圖成圖領(lǐng)域內(nèi)開始得到廣泛重視，尤其是在山區(qū)、丘陵人工成圖難度很大的地區(qū)更是開始得到嘗試性的使用。

以我國貴州、云南為代表的西南山區(qū)，福建、浙江等地為代表的東部丘陵地區(qū)開始有一些地勘單位嘗試性地使用無人機進行低空拍攝繼而加工成地形圖。但從整體的應用現(xiàn)狀上觀察，還屬于前期的嘗試性階段，有必要拓寬應用，并加大研究探索。

4 在丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖與精度控制的實例研究

為了進一步探究無人機航攝在丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖應用中的精度情況，筆者選擇大田縣桃源鎮(zhèn)前厝村1∶2 000地質(zhì)災害整治地形圖繪制項目為例加以說明。

該地區(qū)最低海拔480 m，最高海拔630 m，屬于典型的丘陵地區(qū)，地形較為復雜，植被以耕地和樹林為主。項目區(qū)的面積達到11 km2，測量區(qū)交通不便，植被十分茂盛，GPS衛(wèi)星信號和福建省CORS信號很差，采用常規(guī)的測量方式效率低，故而選擇無人機低空航攝的方式完成該區(qū)的測繪工作[6]。

4.1 像控測量

測區(qū)植被覆蓋率很高，項目組決定先選擇布設(shè)像控點然后再進行無人機航攝作業(yè)。像控點的選擇：地形相對平坦、無遮擋物和障礙物、距離電磁輻射源較遠、點位易于制作為像控標志、交通較為便利、點位布設(shè)于影像的6度重疊區(qū)域內(nèi)。以石灰作為像控點的標志點，呈十字形，長20 cm，寬15 cm，并采用GPS-RTK方式對像控點進行測量，當可正常使用GPS時，在固定解狀態(tài)下完成測量。每個像控點都測量2次，取2次均值為測量值。在該測區(qū)一共布置70個像控點，23個檢查點。

4.2 低空航拍

鏡頭采用索尼A7MII和35 mm的定焦鏡頭，鏡像幅面7 952 p×5 304 p，相機分辨率4 200萬像素，像元大小為4.5 μm。因為在測區(qū)其相對高差較之航高的1/3更高，在該次測量中設(shè)定2個基準面，分別為500 m和600 m，設(shè)計2個架次航線，航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一條基線，航線按常規(guī)方法敷設(shè)，攝區(qū)邊界實際覆蓋不少于像幅的30%，相對航高600 m，同一航線上相鄰像片的航高差5～30 m；最大航高與最小航高之差低于50 m，航攝分區(qū)內(nèi)實際航高與設(shè)計航高之差低于50 m，地面分辨率優(yōu)于0.067 m。在拍攝上一共獲得1 050張原始影像。

在完成航攝后，對影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量進行檢查(表1)，經(jīng)過檢測所有影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量都滿足國家標準的相關(guān)要求[7]。

表1 影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量檢測標準

4.3 數(shù)據(jù)處理

該項目選擇德國INPHO公司的INPHO MATCH-AT軟件對生產(chǎn)的像片進行空三加密處理，選擇清華山維的EPS軟件和適普公司的全數(shù)字攝影測量Vir-tuoZo完成立體采集和成圖的編輯[8]。具體處理流程如(圖1)所示。

圖1 無人機航拍影像流程圖Fig.1 UAV aerial image flow chart

項目區(qū)依據(jù)2個架次航拍原始數(shù)據(jù)創(chuàng)建qiancuo1和qiancuo2工程，每個工程的數(shù)據(jù)均單獨進行處理。在工程的建立過程中，需要就航拍類型、地面高、航拍等工程參數(shù)進行設(shè)定，同時還要就像素大小、像片寬高等相機參數(shù)進行設(shè)定以及導入GNSS/IMU數(shù)據(jù)，此過程中還引入了控制點的設(shè)置[9]。首先對通過外業(yè)獲得的原始影像進行畸變校正，該過程以相機檢校文件為基礎(chǔ)，通過專門的矯正軟件完成畸變的消除工作。完成畸變消除后，將像片數(shù)據(jù)導入INPHO MATCH-AT軟件中，然后對導入的像片進行航帶定義金字塔等預處理，再輸入航空攝影測量控制點成果，最后進行空三測量，獲取自動連接點，即同名像點。

INPHO MATCH-AT同名點通過全自動匹配的方式完成，在進行匹配前將航帶和所對應的像片對齊，在設(shè)置相應的匹配參數(shù)后，即可以進行自動化的匹配。完成自動匹配后，還要進行標準點、錯誤點檢核工作。此處可通過交互編輯手工挑點的方式，將其中的錯誤點篩選排除，就匹配點不足的區(qū)域進行人工改善[10]。在完成交互編輯，保證測區(qū)像點點位誤差在0.006 4 mm內(nèi)，就空三加密結(jié)果的精度進行輸出(表2)。

表2 項目測區(qū)檢測點和基本定向點精度

在完成絕對定向后，根據(jù)國家標準的要求[11]，區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果檢查點誤差、基本定向點殘差不能大于表3所示。

表3 檢查點誤差、基本定向點殘差最大值標準

從表2和表3所顯示的數(shù)據(jù)可知，在項目區(qū)無人機航拍影像數(shù)據(jù)中所涉及到的檢查點、基本定向點都比表2中的最大值標準要小，因此在定向精度上符合1∶2 000數(shù)字線劃圖(DLG)及數(shù)字正射影像圖(DOM)的精度要求。

通過以上幾個步驟的數(shù)據(jù)處理，最后可輸出DOM產(chǎn)品，將輸出產(chǎn)品通過影像拉花編輯、拼接線編輯整飾后，可使圖面的色彩等各個方面更加完美。采用先內(nèi)后外的方式完成DLG的作業(yè)，然后再將內(nèi)業(yè)所初步生成的DLG成果和DOM進行疊合，將其覆蓋到DOM之上，制作調(diào)繪片，提供外業(yè)的實地調(diào)繪工作。在外業(yè)部分，就內(nèi)業(yè)所獲得的成果到實地進行進一步的校對，并對存在誤差的部分進行更正，最后在整體上就外業(yè)的成果進行編輯整飾，完成最終的無人機航攝下的1∶2 000丘陵地區(qū)地形圖。

4.4 精度分析

在最終完成丘陵地區(qū)地形圖的精度檢測上，采用全站儀和GPS-RTK進行實地打點檢測。其高程精度的檢查點主要設(shè)定在水溝溝底、田坎交叉處、道路交叉點等部分，平面精度檢查點的設(shè)定應當選擇具備明顯特征的地物點。在檢查點的選擇上，整體上必須保障其代表性，并保持整體分布均勻性。在該項目的精度檢測上，一共設(shè)定了110個高程精度檢測點，通過測量，最后獲得的中誤差為39 cm；平面檢查點一共設(shè)定210個，最后獲得檢測中誤差為42 cm，通過比對相關(guān)國家標準[12]中對1∶2 000地形圖的誤差要求，平面高程精度均符合規(guī)范要求。通過精度檢測分析，可知基于無人機航攝的丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖精度在高程精度以及平面精度上都符合大比例尺地形圖測繪的精度要求，值得在我國丘陵地區(qū)地形圖的測繪中推廣使用。

5 結(jié)論

無人機航攝作業(yè)過程中的飛行姿態(tài)、航線規(guī)范、鏡頭檢校、自動空三與模型創(chuàng)建、像控點布設(shè)、立體采集等是影響成圖精度的主要因素。通過該項目的研究成果證明：科學地控制無人機航攝生產(chǎn)過程中的精度因子，可以提高無人機丘陵地區(qū)生產(chǎn)大比例尺數(shù)字地形圖的經(jīng)濟效益和成圖精度，并且成圖精度滿足相應的國家標準。該項目的研究成果可在無人機航攝領(lǐng)域為后續(xù)的研究人員提供一些可參考之處，具備一定的理論意義。