工業(yè)級(jí)航測相機(jī)在河道帶狀地形的測試分析

張巧巧

（遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000）

1 引言

水利基礎(chǔ)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中，無人機(jī)航測已得到了廣泛的運(yùn)用，技術(shù)日趨成熟，是獲取實(shí)時(shí)高分辨率影像數(shù)據(jù)和大比例尺地形圖數(shù)據(jù)的重要手段，有效助力于水庫建設(shè)、管線鋪設(shè)、河道治理等水利項(xiàng)目。由于貴州水利項(xiàng)目多山地地形，三維建模裸眼測圖技術(shù)根本不適用于植被茂盛和地形起伏多等高線的地區(qū)，測圖基本以立體模型采集為主。當(dāng)前無人機(jī)都是搭載普通的消費(fèi)級(jí)微單相機(jī)進(jìn)行作業(yè)，該類相機(jī)存在的鏡頭畸變大、易跑焦等缺陷，會(huì)導(dǎo)致影像畸變剔除不徹底，立體模型精度差等問題。為保證立體測圖的精度，需要利用多余的航帶進(jìn)行約束，并且需要參照大量的檢查點(diǎn)進(jìn)行測圖，所以不管測區(qū)是面狀或者帶狀，都按照面狀進(jìn)行航飛作業(yè)，大幅度增加了內(nèi)外業(yè)工作量。

航測工業(yè)級(jí)相機(jī)如哈蘇、飛思等其實(shí)早已運(yùn)用于攝影測量領(lǐng)域，只是早期該類相機(jī)由于重量過大，基本都是載人飛機(jī)或者中大型無人機(jī)搭載。但是現(xiàn)在已有適用于普通無人機(jī)的產(chǎn)品，其具有的像幅大、照片清晰度高、鏡頭畸變可剔除等優(yōu)點(diǎn)，且航測工業(yè)級(jí)相機(jī)具有牢固的結(jié)構(gòu)，可滿足高強(qiáng)度長期使用需求，可拆卸部件采用防松動(dòng)的緊固措施，高度可靠，可完全用于各種航測作業(yè)。本文旨在結(jié)合河道帶狀地形采用兩條航帶少像控點(diǎn)對(duì)航測工業(yè)級(jí)相機(jī)進(jìn)行作業(yè)測試分析。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

測試項(xiàng)目位于貴州省遵義市新浦區(qū)三壩河河道治理工程，河道中心線長1.78 km，地勢平坦，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)精度為河道帶狀1 ∶1000 地形圖立體采集要求。范圍為：東西107°1'30.13"-107°2'7.70"，南北27°40'56.06"-27°41'35.37"。航線布設(shè)方向與河道走向一致，左右岸各一條航帶分布，航飛區(qū)域可覆蓋直線長1.35 km，寬0.4 km。飛行1 個(gè)架次獲取了66 張影像，并且在測區(qū)內(nèi)設(shè)置了河道首尾2 個(gè)輔助空三解算控制點(diǎn)和13 個(gè)平高檢查點(diǎn)，測區(qū)情況見圖1。

2.2 作業(yè)規(guī)劃

測試設(shè)備采用四旋翼無人機(jī)搭載工業(yè)級(jí)航測相機(jī)iXM-100MP（焦距35 mm，像素1 億，采用的是索尼1 億像素背照式中畫幅傳感器IMX461（43.9 mm×32.9 mm），可提供83dB動(dòng)態(tài)范圍，ISO 50-6400，每秒3 張連拍），并配套GPS 高精度后差分模塊一體作業(yè)，可直接獲取照片的線元素坐標(biāo)，可以輔助免像控或者少像控航測內(nèi)業(yè)解算和測圖。航線航高設(shè)置350 m，地面分辨率4 cm。

iXM-100MP 是首款搭載1 億像素的44 mm×33 mm 中畫幅CMOS 相機(jī)，為了此款航拍相機(jī)，飛思推出了全新的Phase One RSM卡口，以滿足航拍相機(jī)對(duì)體積和重量的控制要求。此款航測相機(jī)主要亮點(diǎn)可歸納如下：①1 億像素傳感器；②更長的作業(yè)時(shí)間；③輕盈的機(jī)身大??；④工業(yè)級(jí)機(jī)身與航空鏡頭，適用于嚴(yán)苛的工作環(huán)境；⑤全面支持無人機(jī)應(yīng)用；⑥按路徑點(diǎn)/固定基線/等時(shí)間隔智能觸發(fā)相機(jī)；⑦支持帶路徑點(diǎn)的飛行設(shè)計(jì)應(yīng)用。

通過工業(yè)級(jí)航測相機(jī)的使用，可捕捉高分辨率圖像，擴(kuò)大單次飛行的覆蓋面積，為專業(yè)人員提供無限的航拍數(shù)據(jù)，有利于簡化測繪流程，節(jié)省相關(guān)的測繪時(shí)間、資金和人力。

2.3 影像清晰度

影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定內(nèi)業(yè)處理的精度，分辨率越高，清晰度越高，那么對(duì)應(yīng)的解算結(jié)果精度就越高。普通消費(fèi)級(jí)的微單相機(jī)在作業(yè)中很難對(duì)準(zhǔn)焦，且易跑焦，就會(huì)導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)不清晰，地物模糊的現(xiàn)象。然而工業(yè)級(jí)的航測相機(jī)獲取的影像清晰度高，影像邊緣也不會(huì)出現(xiàn)模糊，跑焦的情況，見圖2～圖3。

圖2 專業(yè)相機(jī)（地物清晰）

圖3 普通相機(jī)（地物模糊）

2.4 少像控作業(yè)

目前高精度差分技術(shù)已廣泛運(yùn)用于各類無人機(jī)航測系統(tǒng)，可直接獲取線元素坐標(biāo)，甚至角元素?cái)?shù)據(jù)，但是由于搭載的是普通微單相機(jī)，畸變不好處理，基本只能實(shí)現(xiàn)少像控正射影像的生產(chǎn)和三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)，因?yàn)檫@兩類數(shù)據(jù)不完全依賴于立體模型精度，處理軟件的計(jì)算機(jī)視覺算法等技術(shù)可以彌補(bǔ)高程精度的不足。但是基于立體采集的航測作業(yè)，該類微單相機(jī)盡管可以減少空三解算的像控點(diǎn)數(shù)量，但是不能解決模型接邊的問題，即不能減少立體采集參考檢查點(diǎn)的數(shù)量。因?yàn)樾枰蕾嚈z查點(diǎn)篩選精度更可靠的模型進(jìn)行采集，所以基本沒有減少外業(yè)像控的工作量，也沒有減少內(nèi)業(yè)采集的工作量，只是減少了空三刺點(diǎn)的數(shù)量。航測工業(yè)級(jí)相機(jī)理論上是可以實(shí)現(xiàn)少像控立體采集作業(yè)，該類相機(jī)鏡頭影像清晰，畸變穩(wěn)定可剔除，立體模型精度好，無接邊誤差，不依賴檢查點(diǎn)進(jìn)行立體模型篩選，所以可以大量減少外業(yè)像控點(diǎn)數(shù)量，也可以減少內(nèi)業(yè)立體篩選的時(shí)間提高工作效率。

2.5 相機(jī)畸變參數(shù)

數(shù)字?jǐn)z影測量相機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于畸變的存在，使像點(diǎn)偏離原有的成像位置，物方的位置關(guān)系在像方得不到正確的映射，降低了攝影測量成果的質(zhì)量和精度［4]。航測作業(yè)相機(jī)需要檢校的參數(shù)主要包括相機(jī)主距f，像主點(diǎn)偏移x0、y0，徑向畸變參數(shù)k1、k2、k3，切向畸變參數(shù)p1、p2。徑向畸變即對(duì)稱畸變?cè)谝韵裰鼽c(diǎn)為中心的輻射線上，輻射距離相等的點(diǎn)，畸變相等；切向畸變即非對(duì)稱畸變是因物鏡各組合透鏡不同心所引起，其畸變大小一般是對(duì)稱畸變的1/3。普通相機(jī)畸變?nèi)コ粡氐?，就?huì)導(dǎo)致立體模型精度差，地形有起伏，模型接邊誤差大等現(xiàn)象。

2.6 處理流程

本次測試由于擁有高精度poss 數(shù)據(jù)，所以只用該河道首尾兩個(gè)控制點(diǎn)結(jié)合poss 數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差處理，實(shí)現(xiàn)少像控航測作業(yè)，通過空三解算，最終采用空三報(bào)告精度和立體采集精度進(jìn)行評(píng)定，流程見圖4。

圖4 航測數(shù)據(jù)處理流程

3 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)與精度分析

3.1 規(guī)范要求

根據(jù)《GBT 23236-2009 數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》要求：由于該河道地形起伏不大，視為平地，規(guī)范要求成圖比例尺1∶1000 地形為平地，基本定向點(diǎn)平面位置中誤差平面0.3 m，高程中誤差0.2 m。通常實(shí)際航測作業(yè)平地或者山地空三精度控制均在0.2 m 左右，中誤差越小，越能保證立體采集的精度。

檢查點(diǎn)的平面中誤差、高程中誤差分別按以下公式計(jì)算：

式中：m1為檢查點(diǎn)中誤差，m；Δ 為檢查點(diǎn)野外實(shí)測值與解算值得誤差，m；n 為參與評(píng)定精度得檢查點(diǎn)數(shù)。

3.2 空三報(bào)告

如圖1、表1 所示，圖上兩個(gè)控制點(diǎn)x4、x11 類型為CONTROL 和高精度poss 聯(lián)合進(jìn)行空三平差，其余CHECK 的點(diǎn)均是檢查點(diǎn)，只參與精度檢查。表中精度顯示完全滿足1∶1000 控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)精度要求，中誤差5 cm 左右，實(shí)際達(dá)到了測量規(guī)范成圖1∶500 的精度。由于水利項(xiàng)目地形圖可直接用于設(shè)計(jì)及施工，所以對(duì)航測精度提出了更高的要求，并且立體采集基本也達(dá)不到軟件解算的理論精度，立體采集精度基本是定向控制點(diǎn)中誤差2 倍左右。

表1 空三報(bào)告中控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)精度 單位：m

3.3 立體采集

如表2 所示，導(dǎo)出空三成果組建立體模型，在立體采集檢查點(diǎn)坐標(biāo)高程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示高程中誤差8 cm，并且兩條航帶精度良好，立體環(huán)境下沒有出現(xiàn)模型地形起伏、模型視差、模型接邊誤差等問題，每個(gè)模型均可立體采集。

表2 立體采集檢查點(diǎn)高程與實(shí)測誤差 單位：m

4 結(jié)語

本文結(jié)合河道帶狀地形采用兩條航帶少像控點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)測試分析，結(jié)果顯示工業(yè)級(jí)航測相機(jī)完全可以滿足該河道帶狀1∶1000 地形圖立體采集要求，模型精度好，基本沒有視差、沒有地形起伏、沒有模型接邊誤差等，可大幅減少外業(yè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)數(shù)量，有效提高內(nèi)業(yè)立體采集速度和精度。工業(yè)級(jí)航測相機(jī)提供的高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)讓大面積或者更長帶狀地形的測區(qū)進(jìn)行少像控點(diǎn)航測立體采集作業(yè)成為可能。但是該試驗(yàn)也存在很多不足之處，如：對(duì)于地形起伏大的山地還沒有進(jìn)行作業(yè)測試；該測試結(jié)果是否適用于大面積或者更長帶狀地形仍需進(jìn)行作業(yè)測試。