無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在河道地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

張寧寧，丁旭東，趙 鵬

（1.淮安市水勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005；2.中科星圖科技南京有限公司，江蘇 南京 211111）

0 引言

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量主要通過(guò)遙感技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制操作，利用無(wú)人機(jī)在飛行的過(guò)程中飛到需要測(cè)量的地域，通過(guò)遙控?zé)o人機(jī)的攝像機(jī)來(lái)拍攝、測(cè)量地面所需要測(cè)量的物體，從而達(dá)到航空拍攝測(cè)量的目的[1]。無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)基本構(gòu)成包括：飛行平臺(tái)、飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備。伴隨著該項(xiàng)技術(shù)的日益成熟，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量從最初在工程測(cè)量上的應(yīng)用發(fā)展到現(xiàn)階段，其在各領(lǐng)域內(nèi)的電子信息化、數(shù)字化、實(shí)際測(cè)量和地形圖測(cè)繪中已經(jīng)有了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。該技術(shù)運(yùn)行成本低、外業(yè)速度快、執(zhí)行任務(wù)靈活性高、地形地貌對(duì)于生產(chǎn)作業(yè)影響因素小[3]，能在短時(shí)間內(nèi)獲得精確的結(jié)果，滿足人們對(duì)于精確繪圖的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，具有傳統(tǒng)航空遙感裝置所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)[4]。所以，利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行河道地形測(cè)量，不僅能降低外業(yè)測(cè)繪的工作強(qiáng)度，而且能大大縮短成圖周期，研究其對(duì)河道地形圖測(cè)繪的應(yīng)用很有必要。

1 航空攝影測(cè)量流程

航空攝影測(cè)量方法用于河道地形測(cè)量，主要闡述DLG成果的生產(chǎn)流程。一般作業(yè)步驟為：資料收集、實(shí)地踏勘、技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)編制、基礎(chǔ)控制測(cè)量、無(wú)人機(jī)航空攝影、影像控制測(cè)量、空三加密、立體模型數(shù)據(jù)采集、外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)、DLG成果生成、成果檢查與修改、編寫(xiě)技術(shù)總結(jié)和檢測(cè)報(bào)告、內(nèi)外業(yè)資料整理及成果驗(yàn)收和提交。

2 航空攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 影像控制測(cè)量

像控點(diǎn)是攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)。因此，野外像控點(diǎn)目標(biāo)選擇的好壞和指示點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度，直接影響DLG成果的精度[5]。像控點(diǎn)布設(shè)為平高點(diǎn)，一般應(yīng)布設(shè)在航向及旁向六片或五片重疊范圍內(nèi)，使布設(shè)的像控點(diǎn)盡量公用；像控點(diǎn)應(yīng)盡量布設(shè)在旁向重疊的中線附近。旁向重疊過(guò)小，相鄰航線像控點(diǎn)不能公用時(shí)，應(yīng)分別布點(diǎn)；當(dāng)旁向重疊過(guò)大使相鄰航線的點(diǎn)不能公用時(shí)，亦應(yīng)分別布點(diǎn)。

當(dāng)像主點(diǎn)或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位周?chē)凰?、云影、陰影等覆蓋時(shí)，則視為主點(diǎn)（或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位）落水；如果落水范圍的大小和位置尚不影響模型連接，則可按正常航線布點(diǎn)；若主點(diǎn)周?chē)?.0 cm范圍內(nèi)均落水，或標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位附近落水，且離開(kāi)方位線2 cm以外的航向三片重疊范圍內(nèi)選不出連接點(diǎn)，則落水像對(duì)應(yīng)全野外布設(shè)平高點(diǎn)。

區(qū)域網(wǎng)的圖形應(yīng)成矩形或方形，區(qū)域網(wǎng)的大小和像控點(diǎn)的跨度以能夠滿足空中三角測(cè)量精度要求為原則，航向相鄰平面控制點(diǎn)間隔基線數(shù)可為8～10條，航線跨度是2條。

2.2 空三加密

空三加密是攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的第一個(gè)步驟，其有效成果精度受很多種因素影響，如POS精度、像片質(zhì)量、匹配策略、控制點(diǎn)量測(cè)精度等。主要問(wèn)題如下：

（1）影像預(yù)處理。無(wú)人機(jī)輕巧便攜，抗風(fēng)能力差，搭載的數(shù)碼相機(jī)一般都是非量測(cè)相機(jī)，容易產(chǎn)生系統(tǒng)畸變差和隨機(jī)畸變差?？杖用芴幚砬氨仨毾R頭畸變差。另外，由于航攝儀光學(xué)系統(tǒng)固有缺陷，以及大氣日照等因素的影響，航線間甚至同一條航帶內(nèi)像片都可能色調(diào)不均、明暗不同，空三加密前需要對(duì)所有航片進(jìn)行勻光、勻色處理，以確保整個(gè)測(cè)區(qū)的影像色彩均勻色調(diào)一致，明暗適中，這樣相對(duì)定向時(shí)同名點(diǎn)的匹配更加準(zhǔn)確[6]。

（2）模型連接點(diǎn)的人工干預(yù)。Inpho軟件匹配算法是基于特征級(jí)和最小二乘匹配的多級(jí)影像金字塔匹配算法，其高精度的匹配特征即使在沙漠、森林等紋理比較弱的區(qū)域也可以很好地完成匹配工作。但在河道應(yīng)用方面，會(huì)有大面積水域存在，生成連接點(diǎn)后，先通過(guò)查看空三結(jié)果精度文件剔除殘差過(guò)大的模型連接點(diǎn)，再檢查連接點(diǎn)分布和強(qiáng)度。需特別注意檢查水草、船、灘地、樹(shù)木等特征不明顯地物處，其容易產(chǎn)生錯(cuò)誤連接點(diǎn)，需刪除后手動(dòng)添加連接點(diǎn)；對(duì)于連接點(diǎn)空洞，也需要以立體測(cè)量的方式手動(dòng)增加連接點(diǎn)，補(bǔ)足空洞，以增強(qiáng)測(cè)區(qū)模型的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。至少保證每張影像的標(biāo)準(zhǔn)位置有6個(gè)以上的模型連接點(diǎn)，對(duì)于水面或植被覆蓋無(wú)法判讀的區(qū)域可適當(dāng)放寬連接要求[7]。

（3）“不可信點(diǎn)”的刪除。“不可信點(diǎn)”是在模型匹配時(shí)重疊度過(guò)少的點(diǎn)。若遇到只有兩度重疊的點(diǎn)，因?yàn)閮啥戎丿B只連接兩張像片，可信度不高。因此，在空三加密時(shí)建議刪去，但是航線頭上的兩度重疊點(diǎn)要保留。

（4）控制點(diǎn)立體量測(cè)?？刂泣c(diǎn)量測(cè)有兩種方式：第一種是先通過(guò)手工量測(cè)測(cè)出所有地面控制點(diǎn)，然后執(zhí)行連接點(diǎn)自動(dòng)提?。坏诙N是在自動(dòng)提取連接點(diǎn)和后處理后再進(jìn)行量測(cè)控制點(diǎn)。通過(guò)多次試驗(yàn)比較，在作業(yè)過(guò)程中選擇“先刺點(diǎn)后連接”，即第一種的方式進(jìn)行。

（5）空三精度檢查。連接點(diǎn)自動(dòng)匹配完成后，需要通過(guò)空三平差結(jié)果文件查看模型連接點(diǎn)精度和控制點(diǎn)的平差精度。但空三平差結(jié)果會(huì)受到平差參數(shù)設(shè)置的影響，還需在立體環(huán)境下檢查空三精度。比較高效的空三精度立體檢查方法是按照測(cè)區(qū)模型連接點(diǎn)是否存在整體性上浮或下沉、立體模型是否存在視差、控制點(diǎn)是否在準(zhǔn)確的點(diǎn)位上、相鄰測(cè)區(qū)空三接邊精度是否超限的順序進(jìn)行立體檢查。如果空三平差結(jié)果報(bào)告不符合精度要求，則表明空三加密精度超限，則不需要再進(jìn)行后續(xù)立體檢查；否則，逐一進(jìn)行所有檢查項(xiàng)檢查，直至所有檢查項(xiàng)全部滿足空三加密精度要求。

2.3 DLG立體采集、調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)、編輯

（1）DLG立體采集一般利用航天遠(yuǎn)景Mapmatrix軟件對(duì)Inpho軟件生成的空三加密成果進(jìn)行立體測(cè)圖。內(nèi)業(yè)應(yīng)全部采集能夠準(zhǔn)確判讀的地物、地貌要素，對(duì)不能準(zhǔn)確判讀的要素應(yīng)盡量準(zhǔn)確采集，并做出標(biāo)記、由調(diào)繪確定。所采集要素要確保其幾何類(lèi)型和空間拓?fù)潢P(guān)系正確。按立體模型測(cè)圖范圍采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)先相互拼接，再按標(biāo)準(zhǔn)圖幅范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)裁切。立體測(cè)圖數(shù)據(jù)應(yīng)先經(jīng)檢查再提供調(diào)繪使用。提供給調(diào)繪使用的成果或數(shù)據(jù)中，要素的符號(hào)、顏色和注記設(shè)置應(yīng)以方便調(diào)繪人員準(zhǔn)確判讀為原則。

（2）DLG外業(yè)調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)應(yīng)根據(jù)調(diào)繪計(jì)劃，堅(jiān)持“走到、看到、量到、問(wèn)清、繪準(zhǔn)”原則，做到判讀準(zhǔn)確、描繪清楚、符號(hào)運(yùn)用恰當(dāng)、各種注記準(zhǔn)確調(diào)繪成果進(jìn)行要素?cái)?shù)據(jù)的圖形編輯、屬性錄入，圖幅接邊形成非符號(hào)化數(shù)據(jù)，非符號(hào)化數(shù)據(jù)通過(guò)檢查后配置符號(hào)、注記進(jìn)行符號(hào)化處理及圖廓整飾，形成符號(hào)化數(shù)據(jù)。全面檢查和修改各類(lèi)定位錯(cuò)誤、遺漏、拓?fù)溴e(cuò)誤、圖層錯(cuò)誤、屬性錯(cuò)誤、要素關(guān)系錯(cuò)誤、幾何圖形問(wèn)題等錯(cuò)、漏錯(cuò)誤。

3 工程實(shí)例

本文選取淮沭河（錢(qián)集閘附近）1 km河段為例，淺談無(wú)人機(jī)在河道地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用。測(cè)圖范圍為：以錢(qián)集閘為中心，淮沭河上下游各500 m，左右岸各200 m；比例尺為1:1000。項(xiàng)目采用電動(dòng)固定翼智能鳥(niǎo)KC1600型無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)配備慣性導(dǎo)航系統(tǒng)配合差分定位系統(tǒng)，可以精確獲取攝影瞬間攝影中心位置參數(shù)和影像姿態(tài)參數(shù)。采用Sony A7R微單相機(jī)作為航攝相機(jī)，像幅為7360像素×4912像素，像元大小為4.88 μm，焦距為35 mm。通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝獲取84張像片。采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法布設(shè)像控點(diǎn)22個(gè)，如圖1所示。無(wú)誤；應(yīng)對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地核查，對(duì)錯(cuò)、漏等進(jìn)行修改和補(bǔ)充；記錄內(nèi)業(yè)無(wú)法獲取的地理名稱；補(bǔ)測(cè)立體測(cè)圖無(wú)法或不能準(zhǔn)確采集的要素。應(yīng)特別注意與水利有關(guān)的建筑物和構(gòu)筑物等，如水閘要注意調(diào)繪上下游和閘底板高程等；涵洞要調(diào)繪出涵洞大小和底高等；河道應(yīng)注意里程樁和跨河設(shè)施等。當(dāng)立體測(cè)圖無(wú)法達(dá)到高程注記點(diǎn)高程精度要求時(shí)，應(yīng)野外實(shí)測(cè)足夠的高程注記點(diǎn)。

圖1 像控點(diǎn)布設(shè)圖

（3）DLG數(shù)據(jù)編輯主要是依據(jù)立體測(cè)圖成果、

利用Inpho軟件進(jìn)行空三加密，控制點(diǎn)平差結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 控制點(diǎn)平差結(jié)果表

在保證模型正確連接的情況下，通過(guò)空三加密報(bào)告的符合性檢查，及立體檢查空三成果模型連接點(diǎn)不存在整體性上浮或下沉、立體模型不存在視差、控制點(diǎn)均分布在準(zhǔn)確的點(diǎn)位上，空三成果符合規(guī)范精度要求，可以進(jìn)行立體測(cè)圖。通過(guò)DLG立體采集、調(diào)繪及補(bǔ)測(cè)、編輯，質(zhì)檢部門(mén)對(duì)所測(cè)地形圖進(jìn)行了外業(yè)自檢，成果合格，可以進(jìn)行資料檢查整理與成果提交。

4 總結(jié)

本文闡述了無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量的生產(chǎn)流程及關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用工程實(shí)例來(lái)論證該方法在河道地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用可行性?？梢钥闯觯脽o(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行河道地形圖測(cè)繪，其成果精度可以滿足河道地形測(cè)量的要求，能大大降低外業(yè)測(cè)量工作強(qiáng)度，自動(dòng)化程度更高，可見(jiàn)該作業(yè)方式在河道地形圖測(cè)繪中有很高的應(yīng)用價(jià)值。