無人機航測法生產(chǎn)1:500比例尺DLG的研究

黃喜才

哈爾濱市市政工程設計院有限公司，中國·黑龍江 哈爾濱 150001

1 概述

1.1 研究背景及意義

隨著無人機技術、全數(shù)字攝影測量技術的迅速發(fā)展，航空攝影測量的優(yōu)勢越發(fā)顯著，與傳統(tǒng)測量相比，航測成圖速度快、工程周期短、生產(chǎn)成本低，尤其大面積作業(yè)時優(yōu)勢更為明顯。中國和國際上對航測法生產(chǎn)1:500 DLG 研究范圍比較廣泛，根據(jù)不同的無人機型號、航攝鏡頭參數(shù)，所采取的技術方法各不相同。筆者立足從生產(chǎn)實際出發(fā)，根據(jù)我院現(xiàn)有的無人機及航攝鏡頭，通過反復對立體測圖各個環(huán)節(jié)的試驗，研發(fā)出切實我院的無人機生產(chǎn)1:500 DLG 的核心技術，再結合野外實測法，總結出了高效性、實用性的測繪方法。提高了我院的測繪科技水平，進而增加了測繪生產(chǎn)效益。

1.2 主要研究內(nèi)容及實施方案

1.2.1 解決的關鍵技術問題

（1）像控點的布設與采集，像控點的精度和密度影響空中三角測量的精度。

（2）選取航攝的重疊度、相對航高，提高航攝影像的質(zhì)量[1]。

1.2.2 實施方案

（1）航空攝影測量定義

航空攝影測量指的是在飛機上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片，結合像片控制測量、空中三角測量、立體建模、立體測圖、像片調(diào)繪和航測內(nèi)業(yè)等步驟，獲得地面研究區(qū)域的各種比例尺、不同類型的地形圖、實景三維模型數(shù)據(jù)，并為各種數(shù)據(jù)庫提供基礎數(shù)據(jù)。

（2）航空攝影測量基本工作原理

航空攝影測量單張像片測圖的基本原理是中心投影的透視變換。

透視變換是指利用透視中心（鏡頭中心）、像點、物點三點共線的條件，即共線方程。

立體測圖的基本原理是投影過程的幾何反轉。

幾何反轉是根據(jù)光路可逆性，由所攝像對建立其幾何立體模型的原理。

（3）航空攝影測量技術流程

圖1 基于傾斜攝影技術生產(chǎn)城市大比例尺地形圖的技術流程

（4）航空攝影選取的設備

本科研項目航空攝影采用的飛行平臺是MD4-1000 四旋翼無人機（德國），航攝儀是安爾康姆公司研制的五鏡頭型傾斜攝影平臺，航攝具體參數(shù)如圖2所示。

圖2 md4-10000 傾斜攝影云臺技術參數(shù)

（5）項目執(zhí)行規(guī)范

CJJ/T 8-2011《城市測量規(guī)范》

CH/Z 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》

CH/Z 3004-2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》

CH/Z 3003-2010《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》

GB/T24356-2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》

CH/T1016-2008《測繪安全生產(chǎn)作業(yè)規(guī)程》

2 像控點的布設與采集

像控點是傾斜攝影測量空三加密和外業(yè)補測的基礎數(shù)據(jù)，因此，野外像控點目標選擇的好壞和指示點位的精確程度，直接影響成圖的精度[2]。

（1）布設原則：①像片控制點的目標影像應清晰易于判刺和立體量測，選在交角良好（30o～150o）的細小線狀地物交點，明顯地物拐角點，高程控制點點位目標應選在高程起伏較小的地方。②平面控制點航向間隔基線數(shù)不大于6 條，旁向間隔的航線數(shù)不大于4～5 條，高程控制點航向間隔基線數(shù)不大于4 條，每條航線布點。

根據(jù)布設原則，結合本項目實際現(xiàn)狀，經(jīng)過多次在測區(qū)布點實驗，總結像控布點規(guī)律如下：①小于5 萬m2的小塊區(qū)域，在區(qū)塊四個角點處和中心位置各布設一個像控點；②大于5 萬m2的區(qū)域，除區(qū)塊拐角布設像控點外，其他區(qū)域每隔150～200m 布設一個像控點；③像控點位置選用布設地標點與明顯地物點相結合的方式。

（2）像控點的測量采用RTK 野外實測。測量時必須做到對中桿圓氣泡居中，本項目的像控點量測采用平滑采集（設置采集10 次），每個像控點必須測量3 次取平均值作為最后像控點三維坐標成果。平面位置中誤差不超過圖上0.1mm，這樣保證了每個像控點的外業(yè)實測精度，為內(nèi)業(yè)空中三角測量提供可靠基準。

（3）本項目成圖面積0.8 km2，共布設平高點26 個，每個像控點點平面精度優(yōu)于5cm，高程精度優(yōu)于5cm。

3 航攝重疊度、相對航高的選取

無人機航攝采用的相機一般為非量測型全畫幅相機，鏡頭畸變大，尤其是邊緣部分，盡管可以根據(jù)相機畸變參數(shù)對像片進行畸變糾正，但糾正過程中會產(chǎn)生糾正誤差，且越往邊緣糾正誤差越大。所以為了提高像片質(zhì)量，應加大航攝重疊度，盡可能使用像片中心部分的影像。

航攝像片沿飛行方向上相鄰像片的重疊，稱航向重疊。兩相鄰航帶間的重疊，稱旁向重疊。根據(jù)CH/Z 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》可知，航向重疊度一般為60%～80%，旁向重疊度一般為35%～60%。

像片的重疊度越大，可利用像片中心部分就越小，像片的質(zhì)量就越好。同時像片的數(shù)量就會越多，選取合適的航攝重疊度尤為重要，既能滿足影像質(zhì)量要求，又能提高航攝效率。本項目經(jīng)過反復試驗，最后總結出主城區(qū)生產(chǎn)1:500 比例尺DLG 航向重疊度選取80%，旁向重疊度選取60%。

相對航高：航攝儀鏡頭中心到某一基準面的垂直距離，用符號H 表示。

數(shù)字影像的分辨率：影像分辨率是決定影像對地物識別能力和成圖精度的重要指標。

對影像而言，影像分辨率通常是指地面分辨率，一般以一個像素所代表地面的大小來表示，即地面采樣間隔（GSD），單位米/像素。其中，數(shù)字航空攝影的航高計算公式為：

式中：H——攝影航高，單位為米（m）；

f ——鏡頭焦距，單位為毫米（mm）；

a ——像元尺寸，單位為毫米（mm）；

GSD——地面分辨率，單位為米（m）。

對于本項航攝儀目使用的無人機及而言，f 和a 是固定常數(shù)，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010 結合試驗可知：要生產(chǎn)1:500 比例尺精度的DLG，地面分辨率（GSD）必須小于0.02（m），由上述公式可知：預想獲取較小的地面分辨率，相對航高盡量小，再結合測區(qū)現(xiàn)狀最高建（構）筑物高度，本項目選取相對航高為150m。

4 結論

4.1 主要研究結論

（1）像控點位置選用布設地標點與明顯地物點相結合的方式。

（2）得出建成區(qū)無人機航測法生產(chǎn)1:500 比例尺DLG航向重疊度選取80%，旁向重疊度選取80%。

圖3 地物點點位中誤差檢測圖

圖4 高程精度檢測表

4.2 本項目精度統(tǒng)計

經(jīng)過項目試點和生產(chǎn)，最終成圖精度檢測在完成的數(shù)據(jù)中抽取了0.3m2（約5 幅1:500 標準分幅地形圖）樣本數(shù)據(jù)進行了檢驗。外業(yè)實測了房角點、道路拐角點和花壇角點等一、二類地物點共158 個。其中，6 個點因植被茂盛造成三維模型嚴重變形，內(nèi)業(yè)無法準確采集同名點坐標而剔除。有效檢測點共152 個，剔除2 個大于2 倍中誤差的粗差點后，剩余150個檢測點，經(jīng)誤差統(tǒng)計計算，平面位置中誤差為±0.113 m，高程中誤差為±0.065m。平面和高程精度均符合項目設計及規(guī)范要求。

5 結語

中國和國際上對航測法生產(chǎn)1:500 DLG 研究范圍比較廣泛，根據(jù)不同的無人機型號、航攝鏡頭參數(shù)，所采取的技術方法各不相同。勘測分院立足從生產(chǎn)實際出發(fā)，根據(jù)我院現(xiàn)有的無人機及航攝鏡頭，通過反復對立體測圖各個環(huán)節(jié)的試驗，研發(fā)出切實我院的無人機生產(chǎn)1:500 DLG 的核心技術，經(jīng)過試驗獲得像控點最佳布設密度和采集精度，獲取最適合的航攝重疊度和相對航高。再結合野外實測法，總結出了高效性、實用性的測繪方法，提高了我院的測繪科技水平，進而增加了測繪生產(chǎn)效益。