利用無人機免像控快速構建高精度DSM

田 超，陳 杰，李能能，郭耀煌

(國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西 西安 710054)

利用無人機免像控快速構建高精度DSM

田 超，陳 杰，李能能，郭耀煌

(國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西 西安 710054)

數字地表模型(digital surface model，DSM)是很多測繪產品的一個很重要的中間產品，基于DSM可以進一步編輯、處理制作DEM、DOM 、TDOM、DLG、三維模型等。另外，DSM表示的是真實地表的地面起伏情況，也可直接應用于各行各業，如電力行業監測植被生長對電力線的安全影響、軍事上導彈制導障礙物監測、林業監測森林生長情況等。

DSM生產主要通過攝影測量和激光LiDAR兩種方式構建。傳統攝影測量方法構建DSM，一般都是先基于航攝影像進行外業像控測量，內業根據像控點進行空三加密測量，構建三角網，最終生成DSM。

近年來，隨著GPS技術的快速發展，GPS測量精度越來越高，但設備重量越來越輕，體積越來越小，逐步廣泛應用到無人機上，結合GPS輔助空中三角測量技術，可有效地減少像控點的數量甚至完全不使用像控點，大大提高了無人機作業效率。本文利用拓普康天狼星無人機進行影像快速獲取，通過整合精密測時技術和載波相位差分技術(RTK)來實時獲取每一張像片拍攝的準確位置，取代傳統的地面控制點，利用Agisoft Photoscan軟件，在無需地面控制點的情況下全自動、快速構建DSM成果，并通過試驗來驗證該一體化解決方案的有效性。

1 天狼星Pro航空測圖系統

天狼星Pro是拓普康推出的一款航空測圖系統，其主要包括數據獲取和后處理系統兩個部分。數據獲取采用集成高精度RTK和慣性測量單元(IMU)、搭載松下LumixGX1相機的電動固定翼無人機系統；飛行控制系統采用MAVinci Desktop；后處理系統采用Agisoft Photoscan航測軟件。主要技術參數見表1。

表1 天狼星Pro無人機主要技術參數

該系統除了操控簡單、環境適應性強、飛行安全外，還有以下兩個優點：

(1) 無需像片控制測量。通過整合精密測時技術和RTK定位技術來獲取每一個攝站點的精確外方位元素，無需通過像片控制測量進行反算，大大減少了外業工作量，提高了作業效率，降低了生產成本。

(2) 數據后處理自動化程度高。通過固有插件有效地將飛行控制系統和后處理系統進行無縫整合，使得數據處理人員通過簡單的操作即可快速生成DSM、DOM、點云模型等成果。

2 無控快速構建DSM

2.1 測區概況

試驗測區位于甘肅省慶陽市華池縣城壕鄉白岔溝門村，地處黃土高原丘陵溝壑區。測區呈矩形，面積約0.55 km2，高差約20 m，其中包括河流、道路、橋、民房、耕地等地物類型。

2.2 檢測點布測

為了檢測天狼星Pro航空測圖系統無控測圖成果的平面精度和高程精度，飛行前，在測區內均勻、分散布設了10個直徑為0.5 m的圓形標靶檢測點(如圖1所示)，并使用GPS靜態觀測方法進行實測。試驗中，平面基準采用CGCS2000，高程系統為大地高。由于航飛前有兩個布設在公路旁的靶標檢測點被意外破壞，最終有效的靶標檢測點為8個。

圖1 圓形靶標檢測點

2.3 航線設計

航線設計采用MAVinci Desktop軟件。該軟件以Bing在線地圖為基礎，根據輸入的測區范圍拐點坐標、設計飛行重疊度等參數自動生成航線，并能在三維環境下進行顯示。航線設計如圖2所示。

圖2 航線規劃

如果測區范圍大于飛行器一個架次飛行能力，可自動劃分子攝區，并保證子攝區之間的重疊度。航線的方向可根據地形地貌自動調整，航線間還可自動調整相對航高來適應地面起伏，以保證飛行高度與地面高差在一定范圍內，進而確保飛行安全，并使獲取影像的分辨率滿足設計要求。

2.4 數據獲取

在基準站架設、飛機組裝、地面調試完成后，采用手拋方式起飛。飛機離手后即可切入自駕模式，自動進入航線，按預先設定的航線自動獲取影像數據。在獲取影像的過程中，機載POS設備同時獲取每個攝站點的高精度位置和姿態信息，為后期數據處理提供精度保證。另外，在飛行過程中，工作人員可通過地面站實時監控飛機的飛行狀態、進度及相機工作狀態，如影像重疊度是否滿足要求，以便發生異常情況時及時制定相應的處理措施。降落時，飛機在自動駕駛輔助下由工作人員手動控制降落，采用滑翔機腹摩擦地面的方式著陸。

此次試驗共飛行一個架次，飛行時間約20 min，獲取影像728張，具體飛行參數見表2，獲取的攝站點位置如圖3所示。

表2 飛行參數

2.5 數據處理

2.5.1 影像檢查及篩選

在外業獲取影像數據后，利用MAVinci Desktop軟件對影像進行初步檢查和篩選，重點檢查影像重疊度是否滿足要求，有無漏洞，以便及時發現問題并采取補飛或重飛等措施進行處理。如圖4所示,不同顏色代表不同重疊度數，由圖可知，本次航飛獲取影像的旁向重疊度普遍在50%以上，滿足后處理要求。

圖3 攝站點結合

圖4 影像重疊度自動檢查情況分布

軟件還可以對不需要參與后處理的多余影像(如轉彎處的影像)進行篩選并剔除，同時自動剔除對應影像的POS數據。剔除后，獲取的728張影像中，可參與后處理的有效影像588張。

2.5.2 RTK數據處理

在MAVinci Desktop軟件中輸入基準站的真實坐標和天線高，軟件結合影像匹配，對采集的RTK數據進行平差解算，處理結果及精度分布如圖5所示。由圖5可知，個別攝站點誤差較大，單點最大達到0.3 m。通過分析發現，造成這種結果的原因主要有以下兩點：

圖5 GPS精度分布

(1) 試驗在中午12：00—13：00之間進行，該時段是一天中GPS信號接收較弱的時段，這是造成精度較差的主要原因。

(2) 測區位于甘肅省華池縣，地處黃土溝壑區中的溝底，環境因素對GPS信號接收也有一定的影響。最終平差處理結果見表3，由表3可知，平差結果仍滿足1∶500精度要求。

表3 攝站點GPS平均中誤差 m

2.5.3 數據后處理

天狼星Pro航空測圖系統數據后處理利用定制化開發的軟件插件，將MAVinci Desktop軟件和Agisoft PhotoScan整合，提供一鍵式數據處理方案，在整個處理過程中僅需設置少量參數(如圖6所示)，其余過程無需人工干預。數據自動處理完成后即可生成DSM(如圖7所示)，同時也可直接輸出DOM、點云數據及空三加密成果。

圖6 參數設置界面

圖7 構建的DSM

3 成果檢測

航飛前，檢測點的平面坐標和高程值已經使用GPS靜態觀測方法獲得。采用處理后獲得的DOM套合DSM數據，量測靶標檢測點的平面坐標和高程值，然后將讀取的坐標值與相應的實地測量坐標值進行比對，最后通過計算得出平面中誤差和高程中誤差，并進行精度對比分析。統計結果見表4。

表4 成果精度統計表 m

根據規范標準《基礎地理信息數字成果 1∶500 1∶1000 1∶2000 數字線劃圖》(CH/T 9008.1—2010),1∶500比例尺成果平面位置中誤差和高程中誤差最高限差分別為0.3和0.2 m。從精度檢測結果可以看出，成果的平面中誤差為0.061 7 m，高程中誤差為0.074 m，遠優于規范限差要求，精度可滿足1∶500的大比例尺測圖要求。

4 結 語

試驗表明，拓普康天狼星Pro航空測圖系統提供了在無地面控制點條件下可全自動生成DSM的一體化解決方案，且成果平面位置中誤差在2倍GSD左右，高程中誤差在3倍GSD以內，在獲取影像地面分辨率優于5 cm時，可滿足1∶500測圖規范精度要求。在未降低數據精度前提下，較傳統技術流程，不僅免去了外業像控工作，而且內業數據處理自動化程度更高，大大縮短了作業時間，提高了作業效率，降低了項目成本。如果在建有CORS站的區域作業，提高基站測量效率，航攝工作將會更加便捷。另外，該系統自動處理的成果類型較為豐富，適用于地理國情監測、應急測繪影像快速獲取、困難區域高精度影像獲取與地形測量，地形體積、坡度、坡向等計算與分析應用(如土石方計算、淹沒分析等)等諸多領域，能夠有效提升測繪服務保障能力，在測繪行業具有廣闊的應用前景。

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