天狼星無人機攝影測量系統在大比例尺測圖與三維建模中的應用

李鑫龍，李偉明，張清民

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130000)

無人機(UAV)航測技術是近年來發展起來的快速獲取高分辨率影像的測繪新技術[1]，其具有低成本、高效率和高分辨率等特點，在農林作業、工業測量、土地資源調查、智慧城市、三維實景、城市規劃與農村土地確權等方面得到了廣泛的應用[2]，特別是在地形復雜、人員難以進駐地區的地理信息數據獲取方面擁有獨特優勢。

近年來，國內外研究學者在無人機航測領域取得了豐碩的研究成果。薛永安等利用無人機系統快速測繪了礦區內的大比例尺地形圖[3]；嚴慧敏等描述了無人機航測系統在水利工程中的應用[4];王湘文等應用低空無人機攝影測量系統，制作了1∶2000地形圖并進行了精度驗證，取得了一定進展[5]；Watts等將低空無人機航測系統應用于生態系統檢測中[6]；Lewycky等應用無人機技術進行自然災害調查，成功估算出洪水淹沒范圍[7]；Merino等將多種傳感器搭載在無人機系統中，實現了目標區域的動態監測[8]。

目前傳統航測作業存在很多不完善之處，如相機相幅較小、影像畸變差較大，需要大量的相控點來約束生成數據的精度[9]。生成的數據大多是傳統的二維數據產品，耗費人力物力的同時也將成果應用局限在測繪專業人員范圍內。本研究采用天狼星無人機攝影測量系統，應用免相控航測技術進行測繪數據生產，不僅完成了測區內1∶2000比例尺DOM、DEM、DLG數據的制作，而且實現了測區內三維建模的生成。經過精度驗證，數據符合測繪成圖規范要求。此次研究方法在今后不僅可以為設計施工單位提供基礎數據，而且在項目前期可研階段提供幫助。

1 研究區概況

研究區位于吉林省西北部，區域面積約6 km2，山地丘陵地形，植被茂盛，多為闊葉林。氣候為北溫帶大陸性季風氣候，溫差較大，四季分明。項目要求繪制測區內1∶2000地形圖，同時生產DOM與DEM數據。為配合設計施工部門工作，制作測區三維數據模型。

2 航測技術流程

項目選用天狼星Sirius Pro無人機作為航測平臺，主要由硬件設備、影像處理系統、信息分析系統與數據處理系統等部分組成[10]，搭載Sony RX1R2型號數碼相機，具有良好穩定的氣動性能與操作性能。地面站系統采用MAVinci Desktop軟件系統進行任務航路規劃等地面工作。飛行計劃主要參數見表1。

表1 飛行計劃參數

2.1 航線設計

航向覆蓋超出邊界線不少于一條基線，旁向覆蓋超出攝區邊界線不少于掃描寬度的30%。為保證高程精度，航片的航向重疊度設計為80%，旁向重疊度設計為55%，在保證航線覆蓋、重疊與地面分辨率的情況下，航線間隔根據測區地形進行確定。

2.2 航攝數據采集

飛行前，組織飛控員進行航線設計與安全管理培訓。起飛前嚴格按照飛行檢查單的要求進行飛前檢查，確保安裝和各項設置正確無誤。規定航攝期內選擇天氣晴朗、大氣透明度好、光照充足的時間進行航攝工作。

采集后的相片數據進行飛行質量檢查與攝影質量檢查，檢查結果確定符合航空攝影測量規范要求后進行數據生產工作。

2.3 數據生產流程

導出工程文件進行空中三角測量計算生產測區數字產品。空三計算無需多余相控點數據對模型進行干預。利用最新的多視圖三維重建技術，內定向與三維模型重建實現全程自動化[11]，生成高質量的點云數據、DEM與DOM數據。DOM如圖1所示，可以看出研究區內的居民地、道路、植被土質等地圖信息清晰可見。

圖1 研究區1∶2000 DOM數據

為獲取測區內的DLG數據，新建地形模型。測圖系統采用裸眼3D技術生產加工DLG數據，該技術方法在打破傳統測圖方式的同時降低了對測圖人員的專業技術性要求。繪制地形圖以《國家基本比例尺地圖圖示第一部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖示》為基礎進行表示，要求線劃信息美觀、完整、不可隨意打斷且屬性正確完整。圖層按居民地、道路、水系、等高線、植被、高程點、境界等分類采集整理。

2.4 三維建模

生產加工得到的DLG數據作為4D產品之一，可以較全面地描述地表現象，為專業測繪單位空間分析與決策提供數據支持。但是對于一些非測繪專業人員，判讀有一定困難。三維模型數據可以很好地解決這一問題，其以直觀性、客觀性和真實性等特性,成為數字城市數據庫中的重要組成部分[12]。通過建立三維模型，可以使用戶對景觀與環境產生直觀的三維效果印象,因此該技術在旅游、測繪等行業有著廣泛的發展前景[13]。

利用Smart3D軟件制作三維模型，需要利用導出項目文件中的POS數據和航攝相片。系統采用的是雙頻雙星技術，保證了無人機在飛行過程中獲得厘米級別的精確度，實現無人機在飛行過程中記錄每個曝光點的空間位置坐標，并且每一張相片位置信息都具有RTK的固定解精度，從而在三維建模時不需要輸入相控點，只需輸入POS數據進行位置定位。建立空三關系模型，運算工程后最后輸出三維模型，如圖2所示。可以看出地理數據從傳統的二維平面圖的表達方式轉換為以三維立體的方式顯示[14]，生成模型可以清楚地顯示被植被隱藏的道路、電線桿等地物信息。施工設計部門可以準確計算土方量，得到相應的平面圖、剖面圖。

圖2 研究區三維模型

3 精度分析與效率對比

精度分析是制作地形圖必不可少的環節，以便判定制作地形圖是否滿足國家規范要求[15]。為了驗證模型精度，計算生產數據與實測數據的平面與高程中誤差，即

式中，m表示數據中誤差，單位為m；Δ表示檢查點的不符值，單位m;n表示評定精度的點數。

檢查點利用RTK實測獲得，包括房角、道路轉折點、稻田轉角等，結果見表2。

表2 生產1∶2000地形圖精度分析表

經過計算，平面中誤差為0.086 m，高程中誤差為0.127 m，滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范》精度要求。為了檢驗天狼星航測系統的工作效率，研究采用航測方法與傳統RTK測圖方法同時同地作業的方式進行驗證。航空攝影測量方法工作時間8 d，其中包括外業數據獲取1 d、內業數據處理成圖7 d，完成DEM、DOM、DLG數據生產工作，成圖面積6.351 5 km2。傳統RTK測圖方法8 d內測圖面積為1.5 km2。對比分析可知，無人機航測方法作業提升率約為70%。因此利用天狼星無人機航測系統進行航測，不僅提高了工作效率，而且減少了外業工作量。

4 結 語

天狼星無人機測量系統不僅可以應用于大比例尺3D數字產品生產加工中，而且可以在基建項目可研階段的三維數據模型制作中發揮重要作用。天狼星無人機測量系統打破傳統航測工作模式，在沒有地面相控點的情況下，生產數據滿足測量規范的精度要求，在提高測繪工作效率的同時，也為施工設計部門提供了精確的基礎數據，對今后水利水電、土地確權、城鄉建設等工作的開展起到積極作用。