山區(qū)高速公路帶狀測區(qū)應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)研究

張寧　楊潤書　甘淑

摘要：

以云南省臨滄市某高速公路選線勘測工程為例，試驗(yàn)利用低空無人機(jī)遙感技術(shù)對山區(qū)高速公路帶狀測區(qū)進(jìn)行航空攝影，內(nèi)業(yè)使用軟件Inpho進(jìn)行空三加密，制作出DOM、DLG等產(chǎn)品。對無人機(jī)航攝外業(yè)像控測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要流程做了詳細(xì)介紹。通過高質(zhì)量完成測區(qū)1：1000數(shù)字地形圖產(chǎn)品生產(chǎn)并進(jìn)行精度分析，證明利用低空無人機(jī)航測技術(shù)能夠?yàn)樯絽^(qū)高速公路的勘測設(shè)計提供準(zhǔn)確的地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可滿足山區(qū)帶狀測區(qū)1∶1000地形圖精度要求。相比于傳統(tǒng)地形測量，展現(xiàn)出航測在山區(qū)高速公路勘測方面的優(yōu)勢，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：

無人機(jī)航測技術(shù)；帶狀測區(qū)；Inpho；空三加密；數(shù)字正射影像圖；數(shù)字地形圖

DOIDOI：10.11907/rjdk.172944

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003015504

英文摘要Abstract：Taking a highway survey project in Lincang of Yunnan as an example， it summaries the application of aerial photography using low altitude UAV remote sensing technology for mountainous highway belt area ， through MatchAT to make the result like DOM and DLG. In this paper， the main process of UAV aerial field control and internal data processing are introduced in detail. Finally， the production of 1： 1000 digital topographic map is completed by high quality and the precision analysis is carried out . It is proved that the low aerial survey technology can provide accurate terrain data for the survey and design of mountainous expressway， which can meet the requirement of 1∶1000 topographic map in mountainous belt area. Compared with traditional terrain measurement， aerial survey shows the advantages in the survey of mountain expressway， it improve the production efficiency.

英文關(guān)鍵詞Key Words：UAV aerial survey； belt area； Inpho； MatchAT； DOM； DLG

0引言

無人機(jī)航測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，以其靈活機(jī)動、操作維護(hù)簡單，可以便捷地獲取高分辨率影像的特點(diǎn)，成為當(dāng)下測繪技術(shù)的熱門[1]。伴隨著計算機(jī)技術(shù)、攝影測量技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)航測技術(shù)開始運(yùn)用到越來越多的專業(yè)領(lǐng)域，特別是對于地形條件復(fù)雜、高差起伏很大的地域，基本代替了傳統(tǒng)的人工測量[2]。無人機(jī)航測內(nèi)業(yè)理論不斷完善，出現(xiàn)很多無人機(jī)航片處理軟件，如svs、inpho等，使得航測精度大大提升。

云南省地處祖國西南邊陲，主要地形為山區(qū)，地形復(fù)雜，高差起伏相對較大。在高速公路勘測方面，由于測區(qū)有很長的工程區(qū)間，范圍十分狹窄且地形復(fù)雜，精度要求苛刻，運(yùn)用傳統(tǒng)的工程測量方法雖能較好地滿足要求，但費(fèi)時費(fèi)力，效率低下。無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)以無人機(jī)為飛行平臺，利用高分辨率相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動拍攝和獲取，同時實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)壓縮和自動傳輸、影像預(yù)處理等功能，是具有高智能化程度、穩(wěn)定可靠及較強(qiáng)作業(yè)能力的低空遙感系統(tǒng)[3]。隨著無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展，其已在許多方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，比如在農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)、土地整治等方面[4]。本文通過云南省某高速公路勘測的無人機(jī)航測生產(chǎn)實(shí)例，探討了無人機(jī)航測在山區(qū)高速公路勘測中的作業(yè)流程，為高速公路勘測選線提供了正射影像圖和1∶1 000的地形圖。

1測區(qū)概況

本項(xiàng)目測區(qū)位于云南省臨滄市轄區(qū)內(nèi)。測區(qū)呈帶狀，總長約90km，寬約500m，大部分測區(qū)位于山區(qū)，最低海拔約1 050m，最高海拔約1 850m，高差達(dá)800m，任務(wù)要求生產(chǎn)1∶1 000的正射影像圖和數(shù)字線畫圖，見圖1。

2工程實(shí)例

2.1實(shí)施流程

工程數(shù)據(jù)的獲取是內(nèi)業(yè)處理的前提，只有成像清晰、質(zhì)量良好的影像才可進(jìn)行空中三角測量，滿足進(jìn)度要求。無人機(jī)影像獲取流程以及后續(xù)處理流程見圖2。

2.2航線設(shè)計及航飛

本項(xiàng)目采用DB-2型無人機(jī)，航程約150km，最大抗風(fēng)能力為6級，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，無人機(jī)搭載尼康D810相機(jī)進(jìn)行航拍，相機(jī)焦距為35mm，像素3630萬，像元大小4.8微米。航線設(shè)計將Google地球影像圖和SRTM World Elevation Data[5]疊加后進(jìn)行分區(qū)設(shè)計，根據(jù)規(guī)范要求，像片航向重疊度一般為60%～80%，最小不應(yīng)低于53%。旁向重疊度一般為15%～60%，最小不應(yīng)低于8%。本次航線設(shè)計航向重疊度大于70%，旁向重疊度大于50%。航高根據(jù)公式（1）、（2）計算：

H=f×GSDa（1）

H0=H+h（2）

尼康D810焦距為35mm，分辨率為0.1m，像元大小為0.004 8mm，經(jīng)計算得出攝影航高H為729m。

部分航線分布如圖3所示。由于測區(qū)是一條狹長的帶狀，所以設(shè)計航線時必須結(jié)合飛行軌跡和測區(qū)位置綜合考慮，保證航測范圍略大于帶狀測區(qū)。

2.3外業(yè)像控點(diǎn)測量

像片控制點(diǎn)測量，為航測內(nèi)業(yè)成圖提供必要的像片平面坐標(biāo)和高程控制，是保證空中三角測量數(shù)學(xué)精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。外業(yè)控制點(diǎn)的布點(diǎn)方案采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方法，參照規(guī)范GB/T 7391-2008 《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》[6]，像片控制點(diǎn)選點(diǎn)條件：

（1）在帶狀測區(qū)的條件下，像控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)滿足以下要求：①像控點(diǎn)位目標(biāo)要求清晰，易于判別，選點(diǎn)以地面、較堅固、不易變化的目標(biāo)為主；②像控點(diǎn)應(yīng)均勻分布，且在旁向重疊范圍內(nèi)，布設(shè)的控制點(diǎn)盡量共用。一般在帶狀測區(qū)兩側(cè)200～250m布設(shè)，順著測區(qū)每400～650m布設(shè)一個點(diǎn)；③線狀地物交叉點(diǎn)（正交最佳），明顯地物拐角點(diǎn)；④選點(diǎn)位置應(yīng)避開各類高大建筑物、高壓線、較大水面等，弧形地物及陰影不應(yīng)選作點(diǎn)位目標(biāo)。

（2）像片條件應(yīng)滿足以下要求：點(diǎn)位距像片邊緣不應(yīng)小于150像素。當(dāng)目標(biāo)條件與像片條件矛盾時應(yīng)著重考慮目標(biāo)條件。對于無明顯特征地物的區(qū)域，需要在航飛前進(jìn)行人工布置十字標(biāo)記，然后進(jìn)行采集，可以把提前標(biāo)記的像控點(diǎn)標(biāo)在Google地圖上，航飛之后便可在影像上找到該點(diǎn)，然后刺點(diǎn)。

本項(xiàng)目還采用了GNSS輔助空中三角測量的方法，就是利用由差分GNSS相位觀測值進(jìn)行相對動態(tài)定位所獲得的攝站坐標(biāo)，作為區(qū)域網(wǎng)平差中的附加非攝影測量觀測值，以空中控制來減少地面控制的方法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差[7]。此次像控點(diǎn)多選擇特征明顯色彩差異較大的地物，在相鄰測區(qū)也布設(shè)有公共控制點(diǎn)，以確保測區(qū)接邊的精度。帶狀測區(qū)部分像控點(diǎn)分布見圖4。

2.4內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在內(nèi)業(yè)完成空三加密前需對影像進(jìn)行預(yù)處理，包括導(dǎo)入pos進(jìn)行航帶編輯、畸變糾正、勻光勻色、影像旋轉(zhuǎn)、金字塔生成及圖像增強(qiáng)，然后進(jìn)行空三加密、編輯DEM、正射糾正制作DOM、DLG。內(nèi)業(yè)采用專業(yè)的航空攝影測量軟件inpho進(jìn)行空三加密，流程見圖5。

內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三加密（見圖6），即自動匹配圖像同名像點(diǎn)（連接點(diǎn)），然后進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，這是整個流程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，匹配過程自動化；然后進(jìn)行二次加密，在空三轉(zhuǎn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加密轉(zhuǎn)點(diǎn)以得到更多的連接點(diǎn)；再進(jìn)行空三編輯即人工交互編輯，主要操作包括：調(diào)節(jié)像片的對應(yīng)關(guān)系、量測控制點(diǎn)、刪除連接點(diǎn)、增加連接點(diǎn)等。

空中三角測量依據(jù)CH/Z 3003-2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》要求，具體精度要求滿足其規(guī)定，見圖7。

經(jīng)過空三編輯后進(jìn)行DEM制作，數(shù)字高程模型是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型[8]。本次采用空三加密輸出的結(jié)果進(jìn)行密集匹配，然后根據(jù)密集匹配結(jié)果設(shè)置數(shù)字高程模型格網(wǎng)尺寸，用軟件自動生成DEM。對生成的DEM采用軟件VirtuoZo進(jìn)行檢查，對DEM出現(xiàn)異常區(qū)域的部分進(jìn)行修正。

本項(xiàng)目采用inpho的光束法區(qū)域網(wǎng)平差法進(jìn)行空三加密，建立工程后匹配連接點(diǎn)，匹配策略采用特征匹配和最小二乘匹配穿插進(jìn)行。由于之前進(jìn)行過像片的畸變矯正，所以未采用軟件的自檢校參數(shù)。完成匹配連接點(diǎn)后sigma值是0.5，符合規(guī)范要求。

光束法區(qū)域網(wǎng)平差的基本思想是：以每張像片所組成的一束光束作為平差的基本單元，以共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程。通過各個光束在空中的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間公共點(diǎn)的光線實(shí)現(xiàn)最佳交會，并使整個區(qū)域納入到已知的控制點(diǎn)地面坐標(biāo)系中去[9]。根據(jù)每張像片上控制點(diǎn)、待定點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，按照共線方程條件列出誤差方程式，整體求解全區(qū)域內(nèi)每張像片的外方位元素以及所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，主要內(nèi)容包括：

（1）獲取每張影像的外方位元素及連接點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)的近似值。

（2）由每張像片上的控制點(diǎn)和加密點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)共線方程式列誤差方程式。

共線方程式是光束法平差的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型[10]，見式（3）、式（4）。

x-x0=-fa1 （XA-XS）+b1（YA-YS ）+c1 （ZA-ZS）a3 （XA-XS ）+b3 （YA-YS ）+c3 （ZA-ZS） （3）

y-y0=-fa2 （XA-XS ）+b2 （YA-YS ）+c2 （ZA-ZS ）（a3 （XA-XS ）+b3 （YA-YS ）+c3 （ZA-ZS ） （4）

式（3）、式（4）中：x、y為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；x0、y0、f為影像的內(nèi)方位元素；XS、YS、ZS為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；XA、YA、ZA為物方點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai、bi、ci（i=1，2，3）為像片的3個外方位角元素組成的9個方向余弦。

完成匹配連接點(diǎn)后，開始量刺像控點(diǎn)。首先測區(qū)4個角刺4個控制點(diǎn)，然后平差一次，余下的像控點(diǎn)軟件就會預(yù)測到比較準(zhǔn)確的位置，然后一一進(jìn)行微調(diào)刺準(zhǔn)即可，如圖8、圖9所示。

2.5DEM編輯

由于測區(qū)有植被覆蓋，房屋較多，所以在制作DOM前先對DEM進(jìn)行編輯，使DEM切準(zhǔn)地面，以DOM影像完整、美觀為準(zhǔn)。在inpho中可以對生成的DEM進(jìn)行手動編輯，利用inpho的點(diǎn)云內(nèi)插功能對濾波效果較差的區(qū)域進(jìn)行內(nèi)插平滑處理。

2.6DOM制作

DOM制作過程：①選用色彩亮度較為合適的影像作為模板，對畸變處理后的影像進(jìn)行整體勻光勻色；②利用修正后的DEM對勻光勻色的影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，完成單幅DOM的制作；③對單幅DOM進(jìn)行影像鑲嵌；④對鑲嵌后影像進(jìn)行編輯，包括拼接線的編輯和影像拉花變形編輯。

拼接線應(yīng)根據(jù)地物的情況選取，如拼接區(qū)域通過居民地時，拼接線可以繞過居民地，最終保證拼接線兩邊的地物色彩平衡，亮度反差適中，見圖8。

2.7DLG制作

采用“先內(nèi)后外”的作業(yè)方式，指先在室內(nèi)利用已有的影像圖對地物實(shí)行判讀和采集，然后把內(nèi)業(yè)初步生成的DLG成果疊加到DOM上制作調(diào)繪片，供外業(yè)到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，對內(nèi)業(yè)的采集結(jié)果進(jìn)行校對和改正，最后再對外業(yè)成果進(jìn)行整理編輯并最終成圖[11]，見圖9。

3數(shù)據(jù)精度分析

為保證最終成果的可靠性，在外業(yè)采集一系列的高程點(diǎn)作為精度的檢驗(yàn)條件，采用GPS-RTK在測區(qū)均勻采集302個點(diǎn)。高程精度檢查點(diǎn)主要是道路交叉口、田坎交叉處、水溝溝底高程等，檢查點(diǎn)分布位置均勻并具有代表性，檢查位置點(diǎn)302個誤差為0.36m。可以看出，生產(chǎn)的地形圖精度滿足測繪規(guī)范對1∶1 000地形圖的精度要求，見表3。

誤差精度分析公式：

MΔH=∑ΔH2n-1（5）

式（5）中，m為點(diǎn)中誤差值，單位為米（m）；Δ為內(nèi)外業(yè)采集高程點(diǎn)殘差，單位為米（m）；n 為參與精度評定的點(diǎn)數(shù)。

4結(jié)語

云南省屬于祖國西南高原地區(qū)，地形條件復(fù)雜，屬于山地地形，常規(guī)測量十分艱苦。本文基于無人機(jī)航攝系統(tǒng)獲得影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)，探討了航測山地帶狀測區(qū)的關(guān)鍵技術(shù)。通過臨滄市某段高速公路工程的研究實(shí)踐，運(yùn)用inpho軟件進(jìn)行空三加密，按照規(guī)范生成1∶1 000的正射影像圖，利用其制作了地形圖。將實(shí)地量測檢查點(diǎn)坐標(biāo)和基于模型生成的地形圖中檢查點(diǎn)的高程坐標(biāo)進(jìn)行對比，證實(shí)無人機(jī)航攝在高速公路勘測方面可以滿足實(shí)際要求。與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，大大減少了外業(yè)工作量，降低了生產(chǎn)成本，提高了作業(yè)效率。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）