無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺數(shù)據(jù)獲取中應(yīng)用

劉建軍，宋利奎，劉亞青，姚姝娟，昂格魯瑪

（內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪地理信息中心 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)測(cè)繪航空攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)在數(shù)據(jù)獲取方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)人機(jī)測(cè)繪航空攝影測(cè)量系統(tǒng)一般由地面控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、飛行平臺(tái)四部分組成［1］。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括空三加密、點(diǎn)云生成、正射糾正、立體測(cè)圖等。 具有精度高、機(jī)動(dòng)靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)測(cè)繪航空攝影測(cè)量強(qiáng)有力的補(bǔ)充。

1 無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集

1.1 技術(shù)準(zhǔn)備

收集資料，如地形圖、控制點(diǎn)、正射影像等數(shù)據(jù)資料，分析測(cè)區(qū)的地形地貌情況，以及無(wú)人機(jī)盤(pán)旋半徑內(nèi)的建筑情況，制定實(shí)施方案，完成攝區(qū)目視觀察工作，確保場(chǎng)地起降條件，注意查看測(cè)區(qū)是否有飛行限制，即禁飛區(qū)或者限高區(qū)等。

1.2 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)是根據(jù)航攝區(qū)域地形地貌復(fù)雜程度、航攝相機(jī)的參數(shù)和國(guó)家航攝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行要求，包括地面分辨率、重疊度、飛行高度等條件，進(jìn)行航攝航線設(shè)計(jì)。

（1）攝影基準(zhǔn)面

攝影基準(zhǔn)面并不是平均海平面，而是根據(jù)測(cè)區(qū)的地形地貌計(jì)算得出的一個(gè)平均高程面，由攝區(qū)最低點(diǎn)和最高點(diǎn)平均高程確定，其公式如式（1）所示。

式（1）中h低、h高分別是攝區(qū)最低點(diǎn)和最高點(diǎn)的平均高程。

（2）像片重疊度

像片重疊度是指同一航向上或者相鄰航線上相鄰兩張像片的重疊程度，分別對(duì)應(yīng)為航向重疊度和旁向重疊度。 航向重疊度一般為60%～80%，旁向重疊度一般為15%～60%。 測(cè)區(qū)地形起伏較大時(shí)，還需考慮地形最高點(diǎn)的重疊度是否滿足要求，因此在航線設(shè)計(jì)時(shí)地形起伏的影響需要考慮在內(nèi)。 具體公式如式（2）所示。

式（2）中PX、PY分別為攝影基準(zhǔn)面上的航向重疊度和旁向重疊度；Δh是相對(duì)攝影基準(zhǔn)面的高度差；H是相對(duì)航高。

（3）地面分辨率

地面分辨率是像片上的一個(gè)像素所代表的實(shí)際地面距離。 根據(jù)相機(jī)的參數(shù)，地面分辨率與航高有著相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 一般航飛的實(shí)際地面分辨率要高于設(shè)計(jì)的要求，保證在測(cè)區(qū)最低點(diǎn)依然能夠達(dá)到要求。

（4）航高計(jì)算

航高是指飛機(jī)相對(duì)于地面的垂直高度，分為相對(duì)航高和絕對(duì)航高。 絕對(duì)航高是距離平均海平面的鉛錘高度，相對(duì)航高則是距離攝影基準(zhǔn)面的鉛錘高度。 在無(wú)人機(jī)相機(jī)焦距、像元大小，以及影像的地面分辨率確定的情況下，航高即可確定下來(lái)，其公式如式（3）所示。

式（3）中H為相對(duì)航高，HO為絕對(duì)航高；GSD為地面分辨率，f為相機(jī)焦距；a為像元大小。

1.3 設(shè)備檢查和飛行調(diào)試

飛行前對(duì)航攝系統(tǒng)進(jìn)行飛行測(cè)試，啟動(dòng)地面控制軟件，數(shù)據(jù)傳輸正常，荷載設(shè)備正常，無(wú)人機(jī)狀態(tài)正常，調(diào)試后等待起飛。

1.4 飛行作業(yè)

以垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)為參考，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確保符合運(yùn)行后，進(jìn)行航線數(shù)據(jù)上傳、起飛狀態(tài)、飛行控制、降落檢查、數(shù)據(jù)檢查等。 起飛前觀察周?chē)闆r，在無(wú)人機(jī)盤(pán)半徑內(nèi)是否有影響飛行的遮擋物、天氣以及風(fēng)向，作業(yè)中無(wú)人機(jī)要迎風(fēng)起飛。

1.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與處理

獲取影像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行影像質(zhì)量檢查，剔除不合格的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)保證影像數(shù)據(jù)覆蓋無(wú)漏洞。 然后對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如去云霧、格式轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)等操作，提高影像的清晰度和對(duì)比度。 再利用無(wú)人機(jī)的銷(xiāo)售終端（point of sale，POS）數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)資料，進(jìn)行空三加密。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)繪航空攝影測(cè)量像片控制點(diǎn)布測(cè)

像片控制點(diǎn)測(cè)量是空三的基礎(chǔ)，合理的像控點(diǎn)布設(shè)位置，既方便外業(yè)實(shí)地刺點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集觀測(cè)，也是空三加密的精度保障。

2.1 像控點(diǎn)選取要求

（1）像控點(diǎn)布設(shè)在影像重疊區(qū)域內(nèi)，通常在5、6 片重疊范圍內(nèi)。

（2）像控點(diǎn)布設(shè)位置要遠(yuǎn)離像片邊緣，同時(shí)要布設(shè)在旁向重疊度的中線附近，離開(kāi)方位線大于3 cm 時(shí)，如果旁向重疊度過(guò)小，則需要分別布點(diǎn)。

（3）像控點(diǎn)的點(diǎn)位在影像上必須清晰可見(jiàn)，易于判讀刺點(diǎn)和立體測(cè)量。 高程控制點(diǎn)應(yīng)選擇相對(duì)較平或高程變化較小的區(qū)域。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)方法

像控點(diǎn)布設(shè)方法參照低空航空攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)布設(shè)的要求執(zhí)行。

（1）根據(jù)測(cè)區(qū)地形地貌特征、成圖比例尺、地面分辨率、無(wú)人機(jī)航拍攝區(qū)劃分等因素劃分區(qū)域網(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)盡量為矩形和正方形。 并要注意相鄰區(qū)域網(wǎng)要有足夠的共用部分，相鄰的兩個(gè)區(qū)域網(wǎng)在航向至少要有四條重復(fù)基線，在旁向至少要有兩條重復(fù)航線。

（2）為滿足區(qū)域網(wǎng)間像控點(diǎn)共用，應(yīng)選取像控點(diǎn)在區(qū)域網(wǎng)間的影像公共部分。 布設(shè)時(shí)要保證測(cè)區(qū)外圍像控點(diǎn)數(shù)量足夠多，以便控制住整個(gè)區(qū)域網(wǎng)的外圍，同時(shí)要在測(cè)區(qū)內(nèi)部布設(shè)位置合理的像控點(diǎn)以及檢查點(diǎn)，確保區(qū)域整體的精度符合要求。

2.3 像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

像控點(diǎn)的量測(cè)一般采用載波相位差分技術(shù)（real time kinematic，RTK）方法，連接基準(zhǔn)站或者網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（cross?origin resource sharing，CORS）站進(jìn)行實(shí)時(shí)差分，要求每個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量3 次，每一次采集30 個(gè)歷元，采樣間隔1 s，3 次數(shù)據(jù)成果間的水平較差不超過(guò)3 cm，高程較差不超過(guò)5 cm，最后取3 組數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。

2.4 拍照繪制像控點(diǎn)略圖

像控點(diǎn)刺點(diǎn)采集時(shí)制作點(diǎn)之記，遠(yuǎn)距離拍攝一張像控點(diǎn)位置的遠(yuǎn)景照片（大概15 ～20 m 的距離），記錄像控點(diǎn)的概略刺點(diǎn)位置，再拍攝一張像控點(diǎn)位置的近景照片（大概相隔4 m），觀察周?chē)孛箔h(huán)境情況制作像控點(diǎn)點(diǎn)位略圖。

3 鏡頭畸變校正及外方位元素處理

相機(jī)的成像過(guò)程是空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)，再投影到成像平面，最后將成像平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像像素坐標(biāo)。但由于透鏡制造精度及組裝工藝的偏差會(huì)引起畸變導(dǎo)致原始圖像失真。

3.1 鏡頭畸變校正

由于量測(cè)型相機(jī)價(jià)格昂貴、重量較大，航攝無(wú)人機(jī)搭載的多是非量測(cè)型相機(jī)，而非量測(cè)相機(jī)內(nèi)方位元素不夠穩(wěn)定、透鏡組的畸變差大等缺陷，會(huì)使得航攝影像的畸變較大，影像匹配精度也變得較低［2］。

鏡頭畸變主要包括徑向畸變和切向畸變，徑向畸變主要是由透鏡導(dǎo)致的畸變，而切向畸變主要是安裝偏差引起的。 無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)為定焦鏡頭，焦距固定，定焦鏡頭焦距越長(zhǎng)，畸變?cè)叫?；焦距越短，畸變就越大?徑向畸變主要包括桶形畸變和枕形畸變，如圖1、圖2 所示。

圖1 桶形畸變

圖2 枕型畸變

無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)為定焦鏡頭，所以鏡頭畸變導(dǎo)致的航測(cè)影像理論值和實(shí)際值之差為系統(tǒng)誤差，鏡頭畸變改正一般采用徑向復(fù)合畸變加薄棱鏡畸變模型（布朗模型）進(jìn)行改正。

鏡頭畸變校正方法：建立一個(gè)校驗(yàn)場(chǎng)，布設(shè)校正標(biāo)志點(diǎn)，并提取像片上對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，帶入共線方程，將標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)透視變換反算出相應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)在像片上的理想坐標(biāo)。

3.2 外方位元素處理

無(wú)人機(jī)航攝獲得的影像數(shù)據(jù)外方位元素一般包含POS 數(shù)據(jù)或衛(wèi)星定位輔助數(shù)據(jù)，一般采用切比雪夫四次多項(xiàng)式對(duì)外方位元素進(jìn)行處理，優(yōu)化無(wú)人機(jī)在飛行中的軌跡系統(tǒng)偏差、衛(wèi)星導(dǎo)航定位與相機(jī)投影中心的偏心矢量以及慣性測(cè)量單元和相機(jī)坐標(biāo)軸之間的視準(zhǔn)軸偏心角。

4 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量也叫空三加密［3］，是利用少量的野外控制點(diǎn)，按照最小二乘法原理，對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行平差和加密，進(jìn)而建立影像之間的關(guān)系，獲得影像的內(nèi)外方位元素［4］。

4.1 原理

空三加密是使用像片之間的公共連接點(diǎn)和少量野外控制點(diǎn)，利用航攝像片和所攝目標(biāo)之間的聯(lián)系建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，獲得加密點(diǎn)的高程信息和平面坐標(biāo)信息，進(jìn)而求得每張影像的內(nèi)外方位元素。

4.2 類(lèi)型

空三加密分為三種：航帶法、獨(dú)立模型法和光束法［5］。而目前最常用的方法是光束法。

光束法是以形成單張像片的一束光線為單元，以中心投影的共線方程為平差模型，根據(jù)像片之間的連接點(diǎn)坐標(biāo)相等，像控點(diǎn)的坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)坐標(biāo)相等，解算出像片的內(nèi)外方位元素以及加密點(diǎn)三維坐標(biāo)。

5 影像匹配與融合

5.1 影像匹配

影像匹配是在將多幅或者多種類(lèi)型的影像，在影像重疊區(qū)域找出相同物體目標(biāo)的方法，采取數(shù)學(xué)模型計(jì)算將影像進(jìn)行正射糾正，糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)。

（1）影像匹配方法較多，常見(jiàn)的方法為基于灰度信息的方法和基于特征信息匹配兩種方法。

（2）影像匹配分為四個(gè)步驟：第一步是在兩幅圖像中提取灰度變化明顯的點(diǎn)、線、區(qū)域等特征信息；第二步是通過(guò)特征匹配算法，提取兩幅影像之間的特征信息，根據(jù)提取到的特征信息建立兩張像片之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；第三步是建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)匹配的特征點(diǎn)計(jì)算得到像片的空間坐標(biāo)變換參數(shù)；第四步是根據(jù)數(shù)學(xué)模型，對(duì)影像進(jìn)行正射糾正，使影像糾正到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。

5.2 影像融合

影像融合最常用的方法是拼接線算法。 該算法在兩幅相鄰影像的重疊區(qū)域，根據(jù)算法生成一個(gè)形狀不規(guī)則的拼接線，拼接線需要繞開(kāi)房屋等重要地物，因此拼接線還需進(jìn)行人工處理，影像融合時(shí)以拼接線為界限進(jìn)行拼接，可以有效地解決正射糾正的精度不一致、色差較大的問(wèn)題。

考慮到航飛時(shí)環(huán)境的不同，影像糾正的精度不同，影像匹配完成后，如果僅僅把影像相互覆蓋，則會(huì)在拼接線處出現(xiàn)明顯的色差，甚至局部出現(xiàn)影像錯(cuò)位，使得拼接融合后的影像存在色差以及拼接痕跡。 因此在拼接前，需將影像進(jìn)行勻色處理，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接。

6 測(cè)繪數(shù)據(jù)成果

6.1 數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）是描述地形垂直起伏特征的空間數(shù)形狀，由地面縱橫規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的高程值構(gòu)成的矩陣，形成柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集。 無(wú)人機(jī)獲取地面數(shù)字高程模型的方法主要有兩種，一個(gè)是通過(guò)lidar 設(shè)備，獲取測(cè)區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后制作為DEM 數(shù)據(jù)；第二個(gè)是通過(guò)空三加密，建立測(cè)區(qū)的立體模型，通過(guò)人工采集的方式獲取大量的三維離散點(diǎn)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，再進(jìn)行內(nèi)插制作DEM。

6.2 數(shù)字正射影像

數(shù)字正射影像（digital orthophoto map，DOM）是利用DEM 對(duì)數(shù)字化的航空攝影影像或者衛(wèi)星遙感影像逐個(gè)像元進(jìn)行傾斜改正和投影差改正，獲得單張像片的正射糾正成果，計(jì)算并修改出影像拼接線后，按照影像拼接線對(duì)影像進(jìn)行鑲嵌和勻色，最終根據(jù)設(shè)計(jì)要求剪裁成一定格式的影像數(shù)據(jù)。 可從DOM 中提取地物的最新信息，具有很高的幾何精度。

6.3 數(shù)字線劃圖

數(shù)字線劃地圖（digital line graph，DLG），使用基本點(diǎn)、線、面、注記以及符號(hào)等進(jìn)行表達(dá)的全息地圖，保存著要素的空間關(guān)系以及相關(guān)屬性信息，具有任意縮放不變形的特點(diǎn)。 DLG 地形圖是多種地物圖層疊加在一起的矢量數(shù)據(jù)，能夠較全面地描述地表現(xiàn)象，也可以快速的生成專(zhuān)題地圖。

6.4 實(shí)景三維模型

實(shí)景三維模型目前主要采用傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)獲得，可以真實(shí)地展現(xiàn)地形地物的多角度紋理數(shù)據(jù)信息，并且具有較高的位置精度。 無(wú)人機(jī)實(shí)景三維建模是一種利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行快速影像數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)匹配和生成三維模型的技術(shù)。 實(shí)景三維模型作為真實(shí)、立體、時(shí)序化反映人類(lèi)生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時(shí)空信息，是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新型的基礎(chǔ)測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)。

7 應(yīng)用實(shí)例

內(nèi)蒙古西部測(cè)區(qū)1 ∶1 000 比例尺測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取。 測(cè)區(qū)長(zhǎng)7.0 km，寬3.0 km，測(cè)區(qū)西北部地勢(shì)較高。 最低點(diǎn)平均值1 575 m，最高點(diǎn)平均值1 625 m，測(cè)區(qū)內(nèi)高點(diǎn)和低點(diǎn)相差50 m。 需要制作比例尺1 ∶1000 的地形圖，為保證成果質(zhì)量，設(shè)計(jì)地面分辨率優(yōu)于0.1 m，航向重疊度不小于65%，旁向重疊度不小于35%，且影像清晰，顏色適中。 具體航測(cè)步驟如下：

（1）航線設(shè)計(jì)。 航線按東西向布設(shè)，計(jì)算測(cè)區(qū)內(nèi)的最高點(diǎn)以及最低點(diǎn)，按照最高點(diǎn)平均值和最低點(diǎn)平均值，確定航飛基準(zhǔn)面為1600 m。 為保證像片能夠滿足項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)地面分辨率為0.08 m，航向重疊度為70%，旁向重疊度為40%。 測(cè)區(qū)最高點(diǎn)和測(cè)區(qū)最低點(diǎn)重疊度，主要技術(shù)指標(biāo)及要求概況如表1 所示。

表1 攝影主要技術(shù)指標(biāo)及要求概況

在確定參數(shù)后，經(jīng)軟件計(jì)算出航線數(shù)據(jù)，將航線數(shù)據(jù)導(dǎo)入飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)根據(jù)航線數(shù)據(jù)自動(dòng)飛行并完成拍攝任務(wù)。 無(wú)人機(jī)盤(pán)旋半徑為300 m，起降場(chǎng)選擇在郊區(qū)廣場(chǎng)，300 m 范圍內(nèi)無(wú)較高的遮擋。 航飛任務(wù)完成后，再導(dǎo)出POS 數(shù)據(jù)，并對(duì)像片質(zhì)量進(jìn)行檢查。

（2）布設(shè)測(cè)區(qū)像控點(diǎn)。 按照區(qū)域網(wǎng)法進(jìn)行布設(shè)，由于高程精度要求不是很高，可全部采用平高控制點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，如高程精度要求較高，需多布設(shè)高程控制點(diǎn)。 像控點(diǎn)盡量布設(shè)在重疊較多、易于測(cè)量、地物明顯的地區(qū)。

（3）航測(cè)數(shù)據(jù)處理。 主要有兩個(gè)方面，即DOM 制作與內(nèi)業(yè)DLG 采集。 首先，對(duì)像片用PS 軟件進(jìn)行色彩處理，其次，用PIX4D 軟件進(jìn)行鏡頭畸變校正。 最后，轉(zhuǎn)入INPHO 軟件進(jìn)行空三加密等操作，獲取最終結(jié)果。 加密后精度見(jiàn)表2。

表2 空三加密精度統(tǒng)計(jì)

經(jīng)檢查各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)設(shè)計(jì)要求，能夠滿足1 ∶1 000 比例尺制作高精度DEM、DOM、DLG，實(shí)景三維模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用用途。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量在大比例尺測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取的應(yīng)用，具有操作簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。能快速獲得高精度DEM、DOM、DLG 成果，實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)成果，值得推廣和研究課題。