天狼星免像控航攝系統(tǒng)與Inpho系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)后處理中的對(duì)比

王小龍，陳文新，敖莊哲，雷尚彬

(中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300456)

隨著測(cè)繪技術(shù)和儀器設(shè)備的快速發(fā)展，小型無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，近幾年在地形測(cè)量方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。作為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的一種重要補(bǔ)充方式，無(wú)人機(jī)遙感日益成為獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段[2]。然而，一般的無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量需要野外采集大量的像控點(diǎn)進(jìn)行輔助，而外業(yè)布設(shè)控制點(diǎn)受天氣環(huán)境的影響較大，人員成本較高，解算過程需要內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)，對(duì)作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)具有很高的要求，還沒有完全擺脫常規(guī)外業(yè)地形測(cè)量的約束。

本文航飛外業(yè)采用拓普康天狼星無(wú)人機(jī)免像控航空測(cè)圖系統(tǒng)——Sirius Pro，該系統(tǒng)高度集成，一體化程度高度融合，主要由系統(tǒng)硬件設(shè)備、影像處理系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運(yùn)行保障系統(tǒng)等組成[3]。系統(tǒng)主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)免像控測(cè)量。通過高精度GNSS RTK技術(shù)和精密定時(shí)技術(shù)來確定每個(gè)曝光點(diǎn)的精確位置，等同于在空中自動(dòng)布設(shè)超過1000個(gè)像控點(diǎn)，從而免去地面像控點(diǎn)的布設(shè)，節(jié)省了大量的時(shí)間和成本[4]。②高度自動(dòng)流程化處理。利用天狼星航攝系統(tǒng)Agisoft Photoscan Pro可以實(shí)現(xiàn)免像控影像的一鍵式拼接處理，快速得到高精度的DOM、DEM等測(cè)繪產(chǎn)品。

本文選擇松花江大壩為研究區(qū)，以Inpho數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)和天狼星航攝免像控系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)比了2個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)DOM的處理流程及關(guān)鍵技術(shù)，并驗(yàn)證了2個(gè)系統(tǒng)影像處理精度，分析免像控天狼星無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理及生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)，為地形測(cè)量提供新的解決方案。

1 航飛測(cè)試

1.1 研究區(qū)域概況

本試驗(yàn)選擇在吉林松原哈達(dá)山大壩進(jìn)行，采用天狼星無(wú)人機(jī)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行免像控測(cè)量。研究測(cè)區(qū)寬0.40 km，長(zhǎng)2.90 km，測(cè)區(qū)面積1.16 km2。測(cè)區(qū)內(nèi)有大壩、房屋、公園、水域、道路、草地等人工設(shè)施。飛行時(shí)選擇風(fēng)力不大于4級(jí)，晴朗的天氣。飛行區(qū)域地勢(shì)平坦，沒有高大的建筑物，易于起飛和降落。

1.2 像控點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

本文為了對(duì)天狼星航攝系統(tǒng)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和檢測(cè)測(cè)圖精度，需要在測(cè)區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)，其中布設(shè)的像控點(diǎn)主要用于Inpho攝影測(cè)量系統(tǒng)的后處理過程中。

航攝作業(yè)前，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了25個(gè)邊長(zhǎng)為50 cm的十字靶標(biāo)像控點(diǎn)，25個(gè)邊長(zhǎng)為50 cm的十字靶標(biāo)平面檢測(cè)點(diǎn)，20個(gè)邊長(zhǎng)為50 cm的十字靶標(biāo)高程檢查點(diǎn)。并用GPS RTK測(cè)量每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的固定解，測(cè)量精度在2 cm以內(nèi)。

1.3 航線規(guī)劃和飛行參數(shù)介紹

本次試驗(yàn)設(shè)置航攝比例尺為1∶500，飛行高度為169 m，航向重疊度為85%，旁向重疊度為75%，總共布設(shè)6條航線覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。

本次試驗(yàn)中天狼星無(wú)人機(jī)總共飛行1個(gè)架次，飛行時(shí)間約24 min，獲取影像494張，具體的飛行參數(shù)見表1。

表1 天狼星飛行參數(shù)

1.4 無(wú)人機(jī)影像檢查及GPS精度介紹

在外業(yè)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取后，需要對(duì)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步查驗(yàn)和篩選，影像的重疊度需要重點(diǎn)檢查，若重疊度較小、有漏洞則需要及時(shí)補(bǔ)飛或重飛[5]。本次試驗(yàn)獲取的影像大部分重疊度在70%以上，滿足影像后處理的要求。

航測(cè)數(shù)據(jù)后處理過程中需要輸入基站點(diǎn)坐標(biāo)和天線垂高，確定照片和POS信息相互匹配，從而為空三解算及平差處理做好準(zhǔn)備，處理結(jié)果及誤差精度小于0.01 m，統(tǒng)計(jì)所有攝站點(diǎn)GPS的中誤差見表2。

表2 攝站點(diǎn)GPS中誤差 m

2 天狼星和Inpho數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)

MAVinci、AgisoftPhotoscanPro為天狼星航攝免像控系統(tǒng)的主要組成部分，Inpho為歐洲市場(chǎng)上空中三角測(cè)量和正射處理占有份額最大的軟件[6]。以天狼星航測(cè)系統(tǒng)獲得研究區(qū)的航測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，分別用天狼星和Inpho數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以期對(duì)比兩個(gè)后處理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及成果的精度。

2.1 天狼星數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)介紹

天狼星免像控航攝系統(tǒng)是一套智能航空測(cè)圖工具，主要包括地面站軟件MAVinciDesktop和影像后處理軟件PhotoScan。MAVinciDesktop兼容市場(chǎng)上常見的多種影像處理軟件，并且進(jìn)行了深度整合，可以將所有外業(yè)數(shù)據(jù)一鍵式導(dǎo)入到PhotoScan中并進(jìn)行智能后處理，整個(gè)流程不需要任何人工交互編輯操作，最終生成DOM、DEM、點(diǎn)云、三維瓦片模型等航測(cè)成果并能取得很高的精度[7]。

2.2 天狼星后處理流程

(1) 原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：主要包括原始照片、POS信息、基站點(diǎn)坐標(biāo)、天線垂高。

(2) 數(shù)據(jù)預(yù)處理：主要包括照片和POS信息相互匹配，設(shè)置投影坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、投影方法，輸入基站點(diǎn)坐標(biāo)和天線垂高，將匹配數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PhotoScan軟件中。

(3)PhotoScan中MAVinci插件一鍵式處理：選擇生成產(chǎn)品的種類、格式，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理即可[8]。一鍵式處理主要包括對(duì)齊照片、建立密集點(diǎn)云、建立網(wǎng)格、建立瓦片模型、生成DEM、生成正射影像。影像分架次依次處理，最終產(chǎn)品種類主要有DOM、DEM、密集點(diǎn)云、瓦片模型。

(4) 利用GlobalMapper對(duì)DOM進(jìn)行拼接和分幅。

2.3 Inpho數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)介紹

Inpho攝影測(cè)量系統(tǒng)是歐洲最著名的航空攝影測(cè)量與遙感處理軟件之一，是德國(guó)Inpho公司的核心產(chǎn)品，可以全面系統(tǒng)地處理航測(cè)遙感、激光、雷達(dá)等數(shù)據(jù)，其空中三角測(cè)量軟件和正射處理軟件在歐洲占有的市場(chǎng)份額最大[9]。Inpho攝影測(cè)量系統(tǒng)由9個(gè)模塊組成：ApplicationsMaster基礎(chǔ)平臺(tái)、Match-AT自動(dòng)空中三角測(cè)量、inBlock測(cè)區(qū)平差、Match-TDSM自動(dòng)提取地形地表模塊、DTMasterDTM/LIDAR編輯軟件、OrthoMaster正射糾正、OrthoVista鑲嵌拼接、SCOP++高效管理DTM、SummitEvolution攝影測(cè)繪立體處理工作站[10]。

2.4 Inpho數(shù)據(jù)處理流程

(1) 原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：主要包括原始像片(同天狼星)、POS數(shù)據(jù)(同天狼星)、相機(jī)檢校參數(shù)(同天狼星)、25個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(2) 空中三角測(cè)量：首先在ApplicationsMaster中新建工程，依次定義相機(jī)、導(dǎo)入POS信息、添加照片、導(dǎo)入控制點(diǎn)和設(shè)置航帶；其次使用Match-AT進(jìn)行連接點(diǎn)自動(dòng)提取和區(qū)域網(wǎng)平差；然后進(jìn)行像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)量測(cè)；最后光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差和爭(zhēng)議點(diǎn)編輯，完成空中三角測(cè)量。

(3)DEM生成：利用Match-TDSM工具生成DEM，在DTMaster中完成DEM的預(yù)處理編輯操作，最終達(dá)到精度要求。

(4) 在OrthoMaster中結(jié)合生成的DEM進(jìn)行單張像片正射糾正，在OrthoVista中利用糾正后的像片智能鑲嵌出整個(gè)測(cè)區(qū)的初始DOM，檢查、編輯DOM及其鑲嵌線，自動(dòng)分幅后即可完成DOM制作。

3 天狼星和Inpho數(shù)據(jù)后處理對(duì)比

3.1 數(shù)據(jù)處理流程的對(duì)比

天狼星航測(cè)系統(tǒng)是免像控航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，前期減少了野外布設(shè)大量像控點(diǎn)的工作。其將MAVinci和PhotoScan軟件整合到一起，MAVinci地面站數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)出到PhotoScan中。在PhotoScan中數(shù)據(jù)后處理，采用定制的MAVinci插件提供一鍵式數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，在整個(gè)過程中只需設(shè)置少量參數(shù)，不需要太多的人機(jī)交互操作。

Inpho系統(tǒng)為傳統(tǒng)加像控航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，前期需要在野外布設(shè)大量像控點(diǎn)。在ApplicationMaster平臺(tái)中創(chuàng)建工程需要定義相機(jī)、添加照片、導(dǎo)入POS/控制點(diǎn)、設(shè)置航帶等一些復(fù)雜的操作。而且Inpho系統(tǒng)中各個(gè)模塊都是獨(dú)立的，沒有很好地整合到一起，處理數(shù)據(jù)比較繁瑣。Inpho系統(tǒng)需要人工刺點(diǎn)，對(duì)控制點(diǎn)的布設(shè)也有特別的要求，需要大量的人為干預(yù)，大大降低了數(shù)據(jù)后處理的效率和精度。

通過以上兩個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比可以看出，天狼星航測(cè)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的Inpho加像控航空攝影測(cè)量系統(tǒng)不管是在前期像控點(diǎn)的布設(shè)上，還是在數(shù)據(jù)的后處理中都體現(xiàn)出了很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。天狼星航測(cè)系統(tǒng)不但節(jié)省了布設(shè)像控點(diǎn)的大量時(shí)間和成本，而且優(yōu)化了數(shù)據(jù)后處理作業(yè)流程，減少了刺點(diǎn)和平差過程中的人為誤差，可以實(shí)現(xiàn)免像控影像的一鍵式拼接處理，大大提高了數(shù)據(jù)后處理的效率和精度。

3.2 DOM、DEM精度對(duì)比

本文在ArcGIS平臺(tái)中分別對(duì)天狼星航攝系統(tǒng)和Inpho系統(tǒng)制作的DOM、DEM進(jìn)行疊加，檢查正射影像和DEM是否吻合。同時(shí)，利用相同的平面和高程檢查點(diǎn)分別對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)制作的DOM、DEM成圖精度進(jìn)行檢查，其中天狼星航攝系統(tǒng)DOM、DEM中誤差分別為0.043 1、0.084 3m，Inpho系統(tǒng)DOM、DEM中誤差分別為0.052 6、0.158 6m。從數(shù)據(jù)中分析，兩者都滿足1∶500航空攝影測(cè)量對(duì)平面和高程中誤差的限差要求，但是天狼星數(shù)據(jù)處理過程中不需刺點(diǎn)等，減少了人為誤差，其處理后的數(shù)據(jù)精度要優(yōu)于Inpho系統(tǒng)的常規(guī)數(shù)據(jù)處理精度。結(jié)果見表3—表5。

表3 天狼星航攝系統(tǒng)和Inpho檢查點(diǎn)平面誤差 m

續(xù)表3 m

表4 天狼星系統(tǒng)和Inpho系統(tǒng)高程檢查點(diǎn)誤差m

表5 天狼星航測(cè)系統(tǒng)和Inpho系統(tǒng)DOM、DEM中誤差對(duì)比m

4 結(jié) 論

本文以吉林松原哈達(dá)山大壩為測(cè)試區(qū)，以1∶500大壩區(qū)天狼星無(wú)人機(jī)遙感影像為數(shù)據(jù)源，從數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)后處理流程及操作性、DOM和DEM成圖精度出發(fā)，探討了免像控天狼星航攝系統(tǒng)和Inpho平臺(tái)常規(guī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出以下主要結(jié)論：

(1) Inpho航攝系統(tǒng)需要野外采集大量像控點(diǎn)進(jìn)行輔助，空三解算需要內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)，還沒有完全擺脫常規(guī)外業(yè)地形測(cè)量的約束。而天狼星航攝系統(tǒng)是免像控的攝影測(cè)量系統(tǒng)，野外只需測(cè)量基站點(diǎn)坐標(biāo)，不需要另外布設(shè)像控點(diǎn)，而且優(yōu)化了數(shù)據(jù)后處理作業(yè)的流程，減少了刺點(diǎn)和平差過程中的人為誤差，可以實(shí)現(xiàn)免像控影像的一鍵式拼接處理，大大提高了數(shù)據(jù)后處理的效率和精度。

(2) 利用相同的平面和高程檢查點(diǎn)分別對(duì)天狼星航攝系統(tǒng)和Inpho航攝數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)制作的DOM、DEM成圖精度進(jìn)行檢查，由于天狼星數(shù)據(jù)處理過程中不需刺點(diǎn)等，減少了人為誤差的影響，其處理后的數(shù)據(jù)精度要優(yōu)于Inpho系統(tǒng)的常規(guī)數(shù)據(jù)處理精度，而且兩者都滿足1∶500航空攝影測(cè)量對(duì)平面和高程中誤差的限差要求。