基于無人機航攝影像的數字線劃圖生成方法

成李博,段平,李佳,姚永祥,李晨,王云川

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院,云南 昆明 650500; 2.云南省高校資源與環境遙感重點實驗室,云南 昆明 650500; 3.云南省地理空間信息工程技術研究中心,云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著數字城市的發展,城市的規劃建設管理已向精細化、可視化、動態化轉變,傳統的模擬產品已不能滿足城市快速發展的建設需求. 數字線劃圖(DLG)具有各類地物的屬性信息和空間關系,是基礎地理信息數據成果的主要組成部分,在國家地籍測量、重大自然資源規劃整合、城市基礎信息完善等方面有著重要的生產價值和意義.

傳統手段生產DLG產品,因數據源種類多樣[1-5],使得DLG的生產方式差異較大[6-7];DLG產品應用的多元化[8-10],且生產方法的多樣化[11-13],導致DLG產品制作方法的復雜性. 國家和地區也制定了相應的行業標準,為產品進行質量把關[14]. 在現代化城市的快速發展中,城市樣貌改變快速,各類地物層出不窮;加之農田、植被邊界線的快速更新,需要一種既能快速獲取地表事物的屬性特征,又不浪費大量人力和物力的DLG制作方法.

遙感影像是一種便捷的輔助手段,尤其是高分辨率遙感影像. 無人機搭載傳感器獲取地面低空高分辨率航攝影像,受環境因素影響低,作業范圍廣,很少穿過云層,影像質量高,更新速度快,為多樣化生產DLG產品提供了可能. 無人機分別搭載單、多鏡頭進行航空作業,從不同角度獲取地物表面紋理信息,同時生成正射影像、三維模型等數字化產品,為DLG的生產提供了高分辨率信息數據. 本文利用無人機獲取的低空航攝影像生產實景三維模型,并在此基礎上進行DLG產品的生產.

1 無人機影像獲取與預處理

將通過無人機獲取云南師范大學呈貢校區的航攝影像作為數據源,生產1∶500比例尺DLG. 該校區中心位于24°51'59"N,102°50'58"E,平均海拔1900 m,總面積1.43 km2;所處地區氣溫變化較小,遠離市中心. 該區域囊括了各種基本地物,具有普遍代表性. 本研究綜合氣候條件、地形位置等因素,選取9：00-14：00作為數據采集最佳時間點,利用校區內空曠場所作為飛行場地. 研究區域如圖1所示.

圖1 研究區域圖

1.1 影像獲取

飛行穩定性和相機分辨率等因素影響影像獲取的質量. 本研究采用哈瓦四軸八旋翼MEGA-V8Ⅱ無人機,搭載SONY ILCE-5100五鏡頭數碼相機,作為影像采集設備. 表1為無人機搭載的五鏡頭相機傳感器參數.

表1 相機參數表

飛行前采用徠卡GPS RTK共布設36個控制點,部分點作為空中三角測量計算的加密點和檢查點. 根據“低空數字航攝影像規范”,為保證飛行質量,規定:航向重疊度60%～80%,最低不應低于53%;旁向重疊度15%～60%,最低不能低于8%. 實驗共飛行5個架次,46條航線,飛行航向東南-西北,獲得航攝影像13 025幅;影像航向重疊度85%,旁向重疊度75%,達到重疊度要求;相對航高150 m,影像分辨率達2.9 cm. 航空攝影規范要求:攝影比例尺在1∶2000到1∶3000之間,成圖比例尺為1∶500時地面分辨率≤5 cm. 地面分辨率符合規范要求,其余項也均符合作業要求.

1.2 數據預處理

將采集到的航攝影像進行預處理. 受大氣折射、地形起伏、曝光度等因素的影響,使得航攝影像存在小幅度畸變和光線反差. 在使用時,通常做影像勻光和增強處理、畸變差校正. 系統誤差可由相機自帶參數校正;對POS數據也做糾正處理,得到質量較好的初始化外方位元素,作為同名點識別的基礎,同時將POS數據轉換到投影坐標系,坐標投影帶為:WGS_84_UTM_Zone_48N.

2 實景三維模型

2.1 空中三角測量

空中三角測量是確定測態,從而獲得整個測區內任意點的絕對坐標. 依據提供的控制點和像片定向參數,確定測區所有影像的外方位元素,從而求出測區內所有點對應的平面坐標和高程. 其核心步驟包括:空中三角測量、生成稀疏點云、密集匹配和數字表面模型(DSM)重構. 首先,通過影像特征匹配提取得到的連接點和地面控制點,將影像相對坐標納入到地面絕對坐標系下,得到三維稀疏點云;然后,經過密集匹配算法加密稀疏點云,得到稠密點云;接著,通過反距離加權插值生成DSM;對生成的較粗糙的DSM濾波和表面平滑得到精細化DSM;最后,對DSM進行紋理映射生成實景三維模型.

DGPS/IMU組合導航系統(通稱POS系統)能獲取影像的空間位置和姿態,即POS數據. 將POS數據作為初始外方位元素,為立體像對同名點識別提供基礎,在利用ContextCapture軟件做無控制點自由網平差后,添加少許控制點,與區域網進行再次迭代平差,獲得更高精度的影像外方位元素,生產高質量的空中三角測量結果.

區域網迭代平差采用光束法平差原理. 光束法區域網平差是利用像點、物點和投影中心三點共線,構建方程組進行求解. 平差方程如下:

(1)

式中:(x、y)為像主點為原點的像平面坐標;(X、Y、Z)為像點對應的物方點的物方空間坐標;f為像片主距;(Xs、Ys、Zs)為外方位元素;(a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3)為外方位元素對應的方向余弦.

利用n個誤差方程組成法方程進行法化答解,求解待定地面點. 平差過程中添加影像畸變參數. 首先進行無控制的自由網區域平差;然后在區域周邊布設少量控制點,再逐一加點,進行控制自由網平差. 每兩次平差之間檢查平差結果,查看模型連接點分布,如果有漏洞,進行手工量測填補,直到相對定向、檢查點和控制點誤差符合“GBT 23236-2009 數字航空攝影測量空中三角測量規范”要求,并停止平差. 選取實驗區內布設的36個控制點中的7個控制點,完成了航空攝影計算的精度要求.

2.2 實景三維模型構建

基于數字表面模型生成實景三維模型. 數字表面模型的實質是,對立體模型進行同名像點密集匹配生成稠密點云,再對點云插值進行構建. 通常數字表面模型中存在路燈漂浮、水面起伏等現象,需進行濾波處理,刪除不用點,壓平水面起伏點,生成真實的表面模型. 依據投影中心、像片紋理、DSM三點一線,將像片上的紋理信息映射到DSM對應網格上,實現紋理映射[15],生成與實際一致外觀的實景三維模型.

3 DLG生產

依據無人機航測產品生產DLG主要有三種方法:1)借助正射影像采集. 將正射影像作為底圖,按照比例尺要求選擇性地采集地物、地貌等地理要素,直接量測,操作簡單,但對于較復雜地物,正射影像只能觀測地物頂部信息,使其應用較單一;2)立體測圖. 將影像配對成立體模型,通過佩戴立體眼鏡,在立體模型上進行要素采集,可進行全方面觀測,精度較高,但要求影像間具有較高重疊度,且處理速度較慢;3)實景三維模型測圖. 三維測圖分為點云三維測圖、垂直攝影三維測圖、傾斜攝影測量實景三維模型測圖,三種模塊是根據不同數據源進行地理要素采集,目前實景三維模型測圖是生產效率、精度最高的方法. 在構建的實景三維模型基礎上利用清華山維EPS軟件進行DLG生產,過程如下:

1)標準制定:應對不同生產要求和生產目的,制定生產標準. 圖幅根據要素實際大小與分辨率的不同進行選擇. 生產類型分為:地籍、土地、地形.

2)三維測圖:采用裸眼測圖方法,沿地物邊界輪廓線進行全方位數字化綜合測圖,如圖2所示.

3)地籍要素:要素類型充斥結果底圖,體現地形地貌. 云南師范大學呈貢校區囊括幾十種地物類型,根據地物屬性不同,綜合繪制地物、地貌. 同時,地籍要素是圖例的主要內容.

4)屬性體現:二維底圖只體現地物要素頂部信息,較復雜的地物類型在測量過程中難以辨認. 利用三維聯動方法查看真實地物類型,靈活生產地物,編輯地物屬性. 需注意的是,聯動生產后的地物要素底部輪廓要與實際相同,且保證復雜地物頂部正射輪廓完整.

5)全局關聯:完成地物類型采集,須全局檢查,是否有漏洞和超規定分辨率采集. 完成的地物信息應包括1∶500比例尺下的所有地物信息,例如:植被,水體,建筑物,道路,圍欄等.

6)制圖:在規定比例尺下制圖. 添加標題、圖例、比例尺、指南針等基本制圖要素,必要情況下可添加相關標注信息.

(a)局部DLG (b)局部實景三維模型圖2 實景三維模型測圖

4 實驗驗證與結果分析

無人機搭載高分辨率航空攝影相機采集低空航攝影像,將采集到的POS數據、IMU數據、航攝影像、控制點數據進行預處理,同時做空中三角測量解算構建實景三維模型,結合測圖軟件生產DLG產品. 為進一步確認實驗過程的精確性,對空中三角測量結果和實景三維模型做精度驗證,同時檢查DLG產品精度. 實驗流程如圖3所示.

圖3 實驗流程圖

4.1 空中三角測量精度分析

高質量的空中三角測量精度保證了實景三維模型的可靠結果. 空中三角測量質量的檢查旨在利用平面和高程檢查點,對平差結果進行檢驗. 將檢查點在x、y、z軸方向的最大誤差分別記為:x、y、z,將平面最大均方根誤差記為:RMS_H,高程最大均方根誤差記為:RMS_V. 五個誤差指標結果如表2所示.

表2 空中三角測量加密精度表

由表3可知,x、y、z軸方向的最大誤差值分別為0.082 m、0.147 m、0.002 m;RMS_H為0.043 m,RMS_V為0.009 m. 除了y軸方向上最大指標大于10 cm外,x、z方向上的最大誤差均小于10 cm.z和RMS_V達到毫米級. 7個檢查點處的指標均達到GBT 23236-2009 數字航空攝影測量空中三角測量規范中的規范要求. 通過分析,采用POS輔助空中三角測量,在添加少量控制點的情況下使得空中三角測量計算結果達到要求,可應用生成實景三維模型.

4.2 實景三維模型精度分析

DLG的質量取決于實景三維模型的精度. 基于上述空中三角測量結果生成實景三維模型.為進一步確定其模型精度,采用點位誤差和實景三維模型完整度兩方面進行精度驗證. 通過選取36個控制點中除去空中三角測量所用的7個點外的6個量測點進行試驗驗證. 實驗量測點使用徠卡GPS RTK儀器獲取,將坐標投影轉換到WGS84_UTM_48N投影帶,并進行點位誤差驗證. 結果如表3所示.x軸方向的點位誤差為0.007 m,y軸方向的點位誤差為0.009 m,z軸方向的點位誤差為0.012 m,整體點位誤差為0.016 m. 紋理細節較完整,且幾何變形小、紋理缺失少,模型復雜度較高．點位誤差表達式如下:

(2)

式中：μx、μy和μz表示實測點在x、y和z方向上點位誤差;(xRTK,yRTK,zRTK)和(x,y,z)分別表示控制點的實際投影坐標與控制點在模型中的實測坐標;n表示量測點的個數;M表示整體點位誤差.

表3 點位誤差

4.3 DLG精度檢查

數據質量檢查方法包括:數據合法性檢查、測點精度檢查、測邊精度檢查. 對數據質量進行嚴格檢查,通過觀測、統計分析和邏輯分析檢查數據中存在的錯誤,方可將生產結果應用到其他產業上去. 通常用空間位置、拓撲關系和屬性數據來描述地理數據和地理現象. 數據合法性檢查涵蓋了這三方面內容,重點從數據合法性檢查方面對DLG進行精度檢查,其檢查內容包括:

1)空間邏輯檢查

a.通過數學計算,檢查對象是否存在重復、交叉、圖形接邊等問題. 重疊地物檢查:檢查圖中地物編碼、圖層、位置等相同的重復對象;交叉檢查:包括自交叉和互交叉. 前者主要檢查地物自相交的錯誤性,后者檢查點、線、面地物互相交叉或包含的錯誤性;圖形接邊:控制圖形范圍.

b.通過拓撲處理,檢查懸掛點、閉合、有面無屬性點、有屬性點無拓撲面、點符號與范圍線一致性、圖面注記與屬性表值一致性,圖塊與圖幅一致性,房屋面積等錯誤.

2) 編碼和屬性檢查

檢查編碼長度、無對照編碼、屬性層中非屬性編碼等各對象編碼的合法性. 根據編碼表、注記分類表、用戶層表、屬性結構表和數據字典等規則,檢查對象的編碼合法性、放置層合法性、屬性字段的大小和字段內容的合理性,尤其要注意編碼的正確性與合法性,防止出現屬性外地物.

為進一步確保數據的精度,須進行完整性檢驗.到實地考察,檢查是否有地物遺漏,盡量排除因遮蔽導致的數據缺失,按照1∶500DLG規范進行數據采集和數據生產. 如圖4為云南師范大學呈貢校區DLG產品圖,圖5為局部地方放大圖.

圖4 云南師范大學呈貢校區DLG

(a)圖書館 (b)匯學三棟圖5 云南師范大學呈貢校區局部區域的DLG

5 結 論

本文探究了一種基于無人機航攝影像的DLG快速制作方法,避免了基于多源數據的DLG制作方法的復雜性. 以云南師范大學呈貢校區為例,利用無人機采集的航攝影像,構建實景三維模型,進而生產制作DLG,通過對空中三角測量、實景三維模型、DLG產品精度等多方面檢驗,證明了該方法的可行性.