低空航測技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的實踐和應(yīng)用

莫龍

(余姚市規(guī)劃測繪設(shè)計院，浙江 余姚 315400)

1 引 言

目前運用航測手段獲取地表影像資料的方法主要為有人飛機(jī)航拍和低空平臺航拍兩種。有人飛機(jī)航拍由于高昂的固定成本費用、起飛條件限制以及航線空域管制較低空飛行嚴(yán)格等諸多的不利因素，在小區(qū)域范圍內(nèi)的城鄉(xiāng)規(guī)劃項目中基本無法使用。所以利用機(jī)動靈活、成本低廉、快速高效的低空無人機(jī)航拍就成為此類業(yè)務(wù)的最佳選擇。本文結(jié)合余姚市泗門鎮(zhèn)城鄉(xiāng)規(guī)劃航測工程實例進(jìn)行探討。

2 測區(qū)概況

測區(qū)位于余姚市泗門鎮(zhèn)，為浙江省首批小城市培育試點鎮(zhèn)和寧波市衛(wèi)星城市建設(shè)試點鎮(zhèn)，位于余姚市西北的中心，瀕臨杭州灣，是一座悠久歷史和現(xiàn)代文明交相輝映的中心城鎮(zhèn)。全鎮(zhèn)總面積 66.3 km2，轄16個行政村、4 個社區(qū)，常住人口超10 萬人。此次作業(yè)區(qū)域內(nèi)多為農(nóng)田和村莊，植被多為榨菜，地勢平坦，地形以平原為主，交通便利，鄉(xiāng)村道路密布，路面狀況良好，來往車輛較少，利于野外作業(yè)。

2.1 項目工作量

本項目自2011年2月28日開始，外業(yè)工作于2011年5月5日全部結(jié)束，完成工作量如下:①完成50 km2低空無人機(jī)航片加密和1∶500 地形圖測制;②完成50 km21∶500 正射影像制作，涉及正射影像圖942 幅。

2.2 主要精度及指標(biāo)要求

空三加密精度:空三加密成果滿足15 cm 的平面中誤差;正射影像圖(DOM)精度:數(shù)字正射影像為24 bit 真彩色影像，分辨率為 0.05 m，像元定位點在像元中心;成圖精度指標(biāo):

參照1∶500 數(shù)字線劃圖成圖精度，平面位置中誤差在平原、丘陵地區(qū)不得大于 0.15 m，即圖上0.3 mm;在山地、高山地區(qū)不得大于 0.25 m，即圖上0.5 mm。兩倍中誤差為最大限差;相鄰圖幅的接邊精度:相鄰像幅的接邊以目視直接判讀不得出現(xiàn)明顯接邊痕跡為主要原則，實現(xiàn)圖幅間零接邊誤差。

3 總體方案

(1)像片控制測量:按照布點方案進(jìn)行像控點的布設(shè)。像控點布設(shè)應(yīng)能滿足和 1∶500 地形圖測繪以及1∶500 數(shù)字正射影像圖、1∶500 數(shù)字高程模型制作的需要。利用GPS 連續(xù)運行參考站VRS 技術(shù)及似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)，采用GPS RTK 測量方法，快速測定像控點的三維空間坐標(biāo)成果。

(2)無人機(jī)低空攝影:根據(jù)航拍方案實施攝影作業(yè)。

(3)內(nèi)業(yè)數(shù)字化測圖、正射影像圖和數(shù)字高程模型制作:利用由張祖勛院士領(lǐng)銜研制的數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)(DPGrid)進(jìn)行生產(chǎn)。該生產(chǎn)線采用改進(jìn)的影像匹配算法，實現(xiàn)了自動空三、自動DEM 與正射影像生成，自動化程度大大提高。

(4)外業(yè)調(diào)繪:采用“先內(nèi)后外”的航測方法進(jìn)行測圖，即先由內(nèi)業(yè)按影像定位測繪，利用自動空三加密軟件自動創(chuàng)建立體模型，根據(jù)立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，生成圖形文件，再由外業(yè)定性調(diào)繪、補測，計算機(jī)編輯處理，最終形成數(shù)字化地形圖(DLG)。根據(jù)立體模型、結(jié)合地形圖資料，編輯并生成數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM)。

(5)作業(yè)流程

圖1 作業(yè)流程圖

4 無人機(jī)低空航拍

采用低空無人機(jī)進(jìn)行了拍攝，飛行高度100 m，獲取了全作業(yè)區(qū)分辨率5 cm 左右的航片10 385 張，像幅為300 m×200 m，覆蓋面積約50 km2。

圖2 作業(yè)區(qū)低空攝影架次分布圖

(1)采用35 mm 焦距的鏡頭進(jìn)行了航拍，在拍攝前進(jìn)行了相機(jī)標(biāo)定。

(2)根據(jù)作業(yè)區(qū)范圍與地形情況進(jìn)行地面航跡規(guī)劃，飛機(jī)上天后定點曝光。整個航攝區(qū)被劃分為泗門南作業(yè)區(qū)與泗門北作業(yè)區(qū)。其中，泗門北作業(yè)區(qū)分為4 個架次，泗門南作業(yè)區(qū)分為3 個架次，如圖2所示。

(3)為了減小像點偏移，航拍在選擇較短的曝光時間(1/1 250 s)的同時，也將對地飛行時速控制在90 km 左右，以減小像點漂移的影響。

(4)獲取的航片圖面清晰，色調(diào)真實，層次豐富，反差適中，滿足后續(xù)空三加密、DLG 采集與DOM 制作的需求。

5 空三加密

為了能更快更好地對無人機(jī)航片進(jìn)行空三加密與正射影像圖制作，我們在內(nèi)業(yè)處理的過程中引入DPGrid 系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)版)，通過自動匹配，快速高效地生成了大量高精度、高強度的模型連接點，通過立體刺加像控，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差獲得了加密成果。

5.1 加密流程

空三加密的流程如圖3所示。

圖3 空三加密流程圖

5.2 加密區(qū)劃分

加密區(qū)根據(jù)攝影作業(yè)架次分為4 個加密區(qū)。

5.3 加密要求

(1)內(nèi)業(yè)加密點盡量選在本片和相鄰像片影像都清晰、明顯、易轉(zhuǎn)刺和量測的目標(biāo)點上。

(2)盡量保證空三加密區(qū)中每一張影像3°重疊區(qū)的上、中、下3 個標(biāo)準(zhǔn)點位上有連接點，如圖4所示。

(3)加密時，采用外業(yè)像片控制測量的檢查點進(jìn)行檢核，但不參與整體平差。

圖4 加密點位分布圖

5.4 相對定向精度

(1)連接點上下視差

以平地為參照，各加密區(qū)模型連接點殘余上下視差分別如表1所示。

表1 上下視差統(tǒng)計表

由表1可知，模型連接點殘余上下視差符合規(guī)范規(guī)定的要求。

(2)模型連接較差

平面位置較差△S≤0.06×Mp×10－3;高程較差△Z≤0.04×Mp×fk/bp×10－3其中:Mp為航攝比例尺分母，fk為航攝儀焦距，bp為像片基線。式中△S，△Z 以m為單位。

由表2可知，模型連接較差符合規(guī)范規(guī)定的要求。

(3)絕對定向精度

以平地、丘陵地形為參照，絕對定向后基本定向點殘差、多余控制點不符值以及網(wǎng)間公共點較差分別如下所示。

①基本定向點殘差

各加密區(qū)基本定向點殘差如表3所示。

表2 模型連接較差統(tǒng)計表

表3 基本定向點殘差統(tǒng)計表

②多余控制點不符值

各加密區(qū)多余控制點不符值如表4所示。

表4 多余控制點不符值

6 數(shù)字高程模型(DEM)制作

采用了多機(jī)網(wǎng)絡(luò)并行計算的方式進(jìn)行密集匹配，快速高效地生成大量密集匹配點，然后在立體環(huán)境下進(jìn)行密集匹配點編輯，去除屋頂及樹等高出地面地物上的點，再結(jié)合地貌特征內(nèi)插生成0.5 m 間距格網(wǎng)DEM，最后再檢查DEM 點與每個模型的吻合情況，對DEM 點與模型不吻合的區(qū)域進(jìn)行了修測，使每個格網(wǎng)點都貼近地表。

7 正射影像(DOM)制作

根據(jù)解算得到的外方位元素成果，利用生成的數(shù)字高程模型(DEM)及采集的部分DLG 數(shù)據(jù)，對數(shù)字影像數(shù)據(jù)進(jìn)行逐片逐像元投影差改正后，經(jīng)過鑲嵌、剪裁，在DPGrid 系統(tǒng)中自動制作成正射影像圖。

(1)成圖精度指標(biāo)，

以外業(yè)實測的平面坐標(biāo)為參照，檢查泗門南作業(yè)區(qū)的DOM 平面精度，統(tǒng)計情況如表5所示。

表5 DOM 精度統(tǒng)計表

(2)相鄰圖幅接邊

作業(yè)過程為無縫作業(yè)，實現(xiàn)了圖幅間零接邊誤差。

8 提交航測成果制作城鎮(zhèn)規(guī)劃圖

規(guī)劃部門利用DOM 正射影像圖和大比例尺DLG線劃圖等航測成果，以此為基礎(chǔ)資料制作城鎮(zhèn)總體規(guī)劃圖，如圖5～圖8所示。

圖5 內(nèi)業(yè)立體測圖

圖6 測制DLG 線劃圖

圖7 DOM 正射影像

圖8 編制總體規(guī)劃圖

9 作業(yè)難點與解決方案

(1)單位面積內(nèi)模型數(shù)較多，若采用人工方式添加模型連接點，加密工作量較大。對此，采用了多機(jī)、多核網(wǎng)絡(luò)并行自動匹配的方式，快速高效地生成了大量高精度、高強度的模型連接點。

(2)無人機(jī)航片普遍存在畸變較大的問題。對此，利用大量均勻分布的高精度、高強度模型連接點進(jìn)行平差解算，提高了空三加密成果的精度(大部分片上模型連接點在110 個點以上)。

(3)若只是平面添加像控點，將導(dǎo)致刺加的控制點精度偏低。對此，采用了立體刺加像控方式進(jìn)行加點。

(4)局部地方控制點不足，采用了外業(yè)補測控制點方式。

10 結(jié) 語

本項目采用無人機(jī)航攝技術(shù)快速獲取DOM 正射影像圖為城鄉(xiāng)規(guī)劃的前期基礎(chǔ)性工作的開展贏得寶貴的時間，采用空三成果內(nèi)業(yè)測制大比例尺DLG 線劃圖相對常規(guī)全野外數(shù)字化測圖，工期大幅度提前，測繪成本更低。其主要優(yōu)點有:

(1)地形圖測制速度快、操作簡單，成本低，影像分辨率高，成圖精度高，減少外業(yè)工作，節(jié)省了大量的人力、物力，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(2)正射影像圖提供了大量的信息，以直觀、翔實的影像反映了許多實地踏勘中的盲點。同時，利用數(shù)字正射影像圖作為規(guī)劃底圖，使規(guī)劃內(nèi)容與周邊環(huán)境的關(guān)系更加清晰，在舊區(qū)改造、歷史古建筑保護(hù)、城市重點區(qū)域和地區(qū)標(biāo)志性建筑的規(guī)劃設(shè)計中可以發(fā)揮十分重要的作用。

(3)無人機(jī)航拍可以獲取多元數(shù)據(jù)，不僅可為城鄉(xiāng)規(guī)劃、土地、環(huán)境、測繪、電力、電信、煤氣等部門提供精確、直觀、信息豐富、現(xiàn)勢性強的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，豐富規(guī)劃、設(shè)計、管理的手段與方法，提高管理效率。同時為城市各種地理信息系統(tǒng)提供新型數(shù)字測繪產(chǎn)品，充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的作用，為整個城市的建設(shè)、規(guī)劃管理以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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