城市小區域快速生產高精度DOM的探討

聶敏莉

摘 要：該文以西安市航天城某區域為試驗區，旨在通過無人機技術及地面三維激光掃描技術相結合的方式進行城市小區域快速生產高精度DOM進行探討。基于無人機數據處理獲取高精度平面位置的同時利用三維激光掃描點云數據提供的大量外業相控點進行空三測量，再結合地面三維激光掃描的點云數據修正空三生產出的DSM點云數據，進一步提高高程精度。在一定程度上解決外業布設相控點的難度大，安全性低、有可能返工以及無人機高程精度不足的問題，為小區域范快速生產高精度DOM中提供可行性方案。

關鍵詞：無人機 三維激光掃描 DSM DEM DOM

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0092-02

1 緒論

在測繪行業的今天，如何快速準確的獲取更新現有的基礎數據一直是行業關注的主要問題。在獲取小區域地形數據方面，傳統航測飛行由于其規劃較復雜，天氣影響、需專業操控手等因素導致數據獲取困難，而無人機的靈活、便捷以及成本低等特點，對于傳統的航測體現出其明顯的優勢。但無人機數據的平面精度較高而高程精度相對較差[1]。地面三維激光掃描技術采用的非接觸式高速激光測量方式，它的實時、動態、高密度和高精度等特性在小區域地形數據獲取方面也尤為突出，地面三維激光掃描技術恰好能夠有效地獲取高精度的高程數據[2]，恰好能夠有效地作為無人機數據生產高精度DEM和DOM的有力補充。

2 總體方案

總體方案見圖1。

3 實驗概況

測區位于陜西省西安市城區南部航天城附近的一塊舊城改造區域，此區域地形較為平坦，地物較為復雜，面積約3.2 km2。該次試驗采用RTK測量了8個控制點，控制點主要用于三維激光掃描數據的絕對定位，原則上3個控制點即可，剩余控制點用于數據精度的檢核。

三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描的目標不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數據，所采集的數據完全真實可靠[3]。該次三維激光掃描實驗采用的是Focus3D 120型三維激光掃描儀，尺寸為240×200×100 mm3，重5 kg，有內置相機，其掃描速度為976000點/s，可測量距離154.3 m，每站2～5 min。其特點是快速、輕便、自動校準和全自動測量。該次三維激光掃描實驗儀器進行數據采集4個h，共掃描52站。

該次無人機實驗采用的是測圖鷹microdrones md4-1000四旋翼垂直起降小型自動駕駛無人飛行器系統，其搭載的相機型號為SONY_α7。此無人機航行時間最長為70 min，爬升速度為7.5 m/秒，巡航速度為15m/s，抵抗風力9m/s，飛行高度最大1000 m，飛行半徑1000 m。此無人機搭載的SONY_α7的像幅大小為6000×4000，像素大小為5.97 μm，焦距為36.33 mm。該此無人機航拍飛行試驗共飛行一個架次，時長約15 min，共拍攝5條航線，136張航片。拍攝期間風力較大，考慮無人機姿態問題，故將拍攝航線設置較密，曝光時長縮短。

4 三維激光掃描數據采集與處理

該次試驗采用三維激光掃描技術解決了很多復雜區域測量員難以達到導致相控點獲取困難的問題，同時也避免了相控點測量時的不安全因素的發生。采用的點云數據處理軟件為Focus3D專用的SCENE軟件，此軟件主要功能為進行點云數據的去噪、拼接以及量測等。

文中三維激光掃描數據處理的基本步驟為：

（1）點云過濾。計算機可自動刪除離散點，離散參數可設。

（2）點云拼接。拼接精度檢查，并根據誤差數據調整拼接。拼接后的點云數據的坐標為相對坐標。

（3）RTK控制點引入配準。導入編輯好的只有三個控制點的文件，再進行一次配準使其點云數據的每個點都具有和控制點一樣的絕對坐標。

（4）精度檢查。精度檢查分兩部分，一部分為軟件自身進行點云配準的精度檢查，一部分為根據現場多測得其他RKT作為檢核點進行坐標對比檢查。

通過點云軟件自身測得點云的拼接的精度誤差最大為1.1 mm，最小的為0.2 mm。引入控制點后，與多采集的5個控制點數據進行點云數據的誤差對比，五個點分別為1號點Δx=0.5 cm，Δy=0.7 cm，Δz=0.1cm；2號點Δx=0.4 cm，Δy=0.2 cm，Δz=0.3 cm；3號點Δx=0.3 cm，Δy=1.1 cm， Δz=0.6 cm；4號點Δx=0.8cm，Δy=0.3 cm，Δz=0.4 cm；5號點Δx=1.3 cm，Δy=0.4 cm， Δz=0.8 cm；可見誤差基本均小于2 cm，可以用于提供控制點數據。（5）點云輸出。將關鍵點云區塊或整體點云導出成通用格式，如pts、las等，目的用于下一步用點云數據修正DPGrid生成的DSM文件。

5 無人機數據獲取與預處理

無人機由于自身的特點導致了其數據質量不如傳統飛機。主要表現為以下幾個方面。

（1）內業工作量大。無人機遙感屬低空遙感，其影像分辨率和空間分辯率高，由于像幅小使得像片數量多，造成內業工作量大，效率低等問題，用傳統的航測軟件效率低下[4]。（2）姿態穩定性差。無人機在飛行時由飛控系統自動控制或操控手遠程遙控控制，由于自身質量小，慣性小，受氣流影響大，俯仰角、側滾角和旋偏角較傳統航測來說變化快，而且幅度遠超傳統航測規范要求。（3）排列不整齊。受順風、逆風和側風影像大，加上俯仰角和側滾角的影響，航帶的排列不整齊，主要表現在重疊度的變化幅度大，甚至可能出現漏拍的情況。（4）旋偏角大。受側風和不穩定氣流影響，相鄰兩張影像一般容易出現旋偏角變化特別大的情況。（5）影像畸變大。相對專業航攝儀來說，小數碼影像（普通單反拍攝的）畸變大。

此次實驗無人機數據處理采用的軟件均為適普公司生產的EasyMosaic快速拼接系統和DPGrid數字攝影測量網格系統。 EasyMosaic主要用于飛行質檢及快速生產測區快視圖，它可以快速檢查測區航拍質量及有無漏飛等情況。它無需控制點數據，僅利用概略POS快速拼接測區影像圖并進行航飛質量檢查功能，能準確的判斷影像的航飛質量及重疊度，旋轉角等功能的測算。DPGrid第二代航測處理軟件，不僅可以用于傳統航片的處理，也可用于無人機數據處理。

通過該次Easymosaic飛行質檢的結果信息可知，這次飛行的136張片子的航向重疊度最小在82.67%，最大重疊度在90.12%，旁向重疊度最小為73.34%，最大為81.75%，旋偏角最大23.59。由于重疊度過大，因此將5條航帶抽為3條航帶，同時剔除航片中個別旋偏角過大的片子，最后保留了45張航片再進行了飛行質檢，最后質檢結果最小的航向重疊度為63.21%，最小的旁向重疊度在32.32%，滿足要求。因此，在后續的實驗中，將這45張航片作為實驗數據。

DPGrid無人機數據處理基本步驟為：

（1）參數設定及航帶設置。DPGrid下的參數設定主要指相機參數的設定，POS導航數據的編輯，航帶調整以及控制點文件編輯。

（2）影像預處理。無人機、飛艇等搭載的都屬于非量測相機，一般要在處理之前先做畸變改正。

（3）空三自動匹配與挑點。自動挑點針對程序匹配后的同名點建立相互連接關系，進行標準點位保留點個數的篩選，此步驟嵌入了平差功能，初步剔除了測區內粗差大的連接點。

（4）空三交互編輯。空三交互編輯是一個不斷平差和調點的循環過程，循環進行到像點中誤差和最大像點殘差以及控制點誤差都達到標準即可，但最理想結果為直到迭代后誤差不再變小為止。

（5）點云控制點引入。設置編輯好的控制點文件，起初的四個控制點必須要人工選定，其余的控制點可通過軟件的預測控制點功能自動預測出其位置，只需要認為調點即可。該次用于空三解算的控制點數據全部來自于地面三維激光掃描的點云數據，提取的參與平差的控制點共12個。

（6）平差解算與空三交互編輯。在引入控制點后，進行了PATB光束法區域網平差，平差后同樣刪除錯點或調整不準確的點，以及補點，然后再進行平差解算，依次循環的操作，此循環的退出條件是像點中誤差和最大像點殘差以及控制點誤差都達到標準即可。待平差結果符合要求后，輸出空三成果。

（7）創建DSM。利用輸出空三成果，在加密點的基礎之上進行密集匹配，生成DSM點云像點文件。建議此時文件先不進行濾波處理，可通過地面三維激光掃描的點云文件修正此文件后，再進行濾波即可。

（8）DSM修正。通過EPS地理信息工作站的點云模塊的DSM修正功能，將DSM中的點在地面三維激光掃描文件中進行修正，修正原理是根據DSM的點的X，Y值匹配點云中的X，Y坐標值，將地面三維激光掃描的點云數據的Z值替換為DSM點的Z值。

（9）DEM生產及編輯。通過替換后的DSM文件生產DEM，并通過DPGridProxy.exe軟件的DEM濾波功能再進行濾波處理，加上人工編輯，進一步提高DEM的精度。

（10）DOM生產及編輯。

6 精度分析

隨即抽取的4個相對的169個加密點的絕對定向后的平面位置及高程誤差區間見表1 。

隨即抽取的4個相對的平面位置及高程中誤差如表2所示。

通過立體相對測得8個控制點的高程坐標與RTK布設的8個控制點的坐標對比結果見表3。

7 結語

由精度分析結果可見，通過此方法獲取的DEM和DOM的平面位置誤差及高程位置誤差基本符合1∶1000比例尺航空攝影測量的規范要求。因此，結合無人機技術及地面三維激光掃描技術快速制作小區域高精度DEM和DOM的方案可行。展望一：目前研究的三維激光掃描數據應用范圍還停留在人工挑選相控點層面，是否可實現計算機自動挑點有待試驗。展望二：試驗區為地形較為平坦，試驗效果較好，也基本滿足1∶500比例尺地形圖數據生產要求，但針對于山區，地勢起伏較大的地形效果如何還需做進一步試驗。

參考文獻

[1] 張麗麗，王小平，張瑛.基于無人機影像生產高精DEM的實踐[J].測繪技術裝備，2009，11（1）：33-34.

[2] 白立飛，于廣婷，盧曉龍，等.三維激光掃描技術在青島市房地產開發中的應用[J].東國土資源，2011（3）：41-43.

[3] 張過，李德仁，袁修孝，等.衛星遙感影像的區域網平差成圖精度[J].測繪科學技術學報，2006，23（4）：239-241，245.

[4] 張喜英.利用無人機影像制作1∶2000地形圖[J].地礦測繪，2013，29（4）：5-7.