無人機低空攝影測量在大比例尺測圖及精細化建模領域的適用性分析

楊少愚 劉清田 張力祥

（自然資源部第三地形測量隊,黑龍江 哈爾濱 150025）

0.引言

隨著社會的發展，以物聯網、大數據、人工智能等新技術為代表的數字浪潮席卷全球，在傳統測繪領域，用全站儀、RTK測量地物特征點，然后內業勾勒特征點成圖的方法雖然可以取得不錯的測量效果，但是由于二維的成果信息承載比較單一，已經不能滿足當下社會的發展需求，在自然災害、公共安全、城市信息更新等領域中，迫切需要發展“空—天—地”一體化的觀測體系。應用無人機航空攝影測量技術獲取目標區域現勢性信息，可以更加真實直觀地反映地物現狀，從而更加高效地開展防災減災、城市更新、智慧城市建設等工作[1]。無人機低空航測具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點[2]，特別是在地形復雜、交通困難的地區，利用無人機進行的高分辨率影像快速獲取具有明顯優勢，無人機低空數字航空攝影測量得到了越來越多的推廣應用，逐漸成為傳統航空攝影測量的有力補充。本文通過應用大疆精靈4 RTK無人機傾斜攝影方式對某廠區進行三維立體建模并矢量化采集生成的地形圖成果數據精度進行比對分析，檢測航測成果精度，并針對無人機在大比例尺測圖及精細化建模領域的適用性進行探討。

1.無人機攝影測量技術流程

無人機攝影測量作為一門新型技術，被廣泛應用在三維建模領域當中，從而進行多種多樣的工程測量。本次測試區域使用的無人機型號為大疆精靈4 RTK，通過無人機攝影測量技術對占地面積為0.33km2的某廠區進行正射和傾斜攝影兩種方式分別采集，在飛行前第一時間進行了空域申請并向當地派出所備案。本次測量的坐標系統采用CGCS2000國家坐標系；高程基準采用1985國家高程基準；投影方法采用高斯-克呂格投影3度帶，中央子午線為117°E,成圖比例尺為1∶1000，地形圖成果等高距間距為0.5米。主要工作流程（如圖1所示）：

1.1 參考規范

本次測試參考《GB50026-2007工程測量規范》《GBT 33176-2016國家基本比例尺地圖1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖》《CHZ3003-2010低空數字航空攝影測量內業規范》《CHZ3005-2010低空數字航空攝影規范》《GBT 24356-2009測繪成果質量檢查與驗收》《GBT 18316-2008數字測繪成果質量檢查與驗收》這些規范作為操作依據及精度檢驗標準。

圖1 工作流程

1.2 航線規劃

航線規劃主要涉及三個方面：測區范圍、航高確定和重疊度設置。

首先需要了解測區的環境、平均海拔、地形高差，根據實地具體情況擬定分區和架次并進行航帶敷設。無人機航攝時航高與地面分辨率息息相關，通常我們根據下式計算相對航高：H=f×GSD/a（H為相對航高、f為攝影鏡頭的焦距、GSD為影像的地面分辨率、a為像元尺寸的大小）。通過對航高的控制調整GSD的精度，從而得到不同精度的成果，并在此基礎上，確定理論航線相對航高。在設計航高時，必須考慮測區內整體落差情況。當測區地形落差較大時，會導致單張照片覆蓋的范圍變小，進而導致與相鄰照片的重疊率變小。在架構航線時，必須保證航向超出測區邊界不能少于一條基線，航向重疊度一般為60%~80%，最小不低于53%；旁向重疊度15%~60%，最小不低于8%。當影像重疊度無法滿足規范要求時，就會導致空三失敗或出現影像拉花、空洞等問題。此類情況常見于高山地區或城區中高低建筑彼此交錯的區域，此時應通過航帶分區或適當降低飛行高度的方式避免此類問題。在實際作業中可通過犧牲部分成果精度以提高飛行高度，減少飛行架次，從而增加作業效率；也可以犧牲部分效率以增加相 片重疊度，從而增加相片紋理及特征點以提高模型精度。

1.3 像控點布設

為了更好地獲取高精度的影像數據，布設像控地面標志點是極其重要的一環。像控點的精度和數量直接影響到航測數據后處理的精度，所以像控點的布設和選擇應當規范、嚴格、精確。布設像控點之前要做好準備工作，首先要查看航測區域的地質地貌條件，通常情況下應選取硬質地面且空曠區域，周圍無遮擋；像控點顏色要與周邊地物存在一定色差（建議紅色、白色、黑色），易于后期影像判讀；像控點設立一般采用噴漆和標靶兩種方式，大小需根據航高進行相應調整，保證標志點內角可在航片上清晰判讀。像控點布設時盡量均勻布設，在1∶1000比例尺地形圖中每平方公里控制點的平均布設點數為4~5個即可，當測區面積較小時以控制主體構筑物為主。

1.4 內方位元素獲取

影像的內方位元素是描述攝影中心與相片之間相關位置（姿態）的參數，是攝影測量中的重要參數。在攝影測量中，需確定攝影機物鏡后節點相對于相片面的三個參數，包括相片的垂距（主距）f（即物鏡后節點到像主點的距離）以及像主點o在相片框標坐標系中的x、y坐標值，一般可通過航攝儀的鑒定獲得。無人機出廠前都會經過嚴格的工藝校正，測算出相機的光學畸變差，每張相片屬性中都會記錄相機的內方位元素參數，用于用戶后期處理。相機的出廠參數（如表1所示）：

表1 相機參數

1.5 外方位元素獲取

影像的外方位元素即通常所說的影像POS數據，由機載高精度GNSS設備和慣性導航系統（IMU）設備獲取。大疆精靈4RTK無人機本身使用內嵌的千尋網絡（目前千尋基站已經覆蓋了我國80%以上的地區），通過GNSS雙頻載波（L1、L2波長分別為19cm和24cm）相位的實時差分定位技術，使無人機的POS參數精度達到厘米級精度。機載云臺記錄相機姿態數據（側滾角、俯仰角和偏航角），經IMU和GNSS數據聯合處理，可直接獲得測圖所需的每張相片的6個外方位元素，即曝光瞬間攝影中心在所選定的地面空間坐標系中的x、y、z坐標值（3個線元素）和曝光瞬間像片在所選定的地面空間坐標系中的姿態（3個角元素），就能夠實現影像高精度定位與定姿。

1.6 DOM制作

通過外業航攝、像控點控制測量獲取的原始數據，包括影像數據、POS數據、相機文件參數等，結合控制點數據，利用Pix4DMapper軟件進行初步處理，迅速獲取快拼圖及質量報告，初步檢查相片的重疊度和照片質量，當照片質量不合格或重疊度不足時，及時進行補飛。一般來說，保證測區像點網的構網強度，第一個原則是要確保測區范圍內每一張相片的上、中、下三個區域內必須有連接點；第二個原則是要保證航線之間的連接強度，這意味著在每一張影像中，位于航線間重疊區域里的像點必須向相鄰的航線轉刺[4]。當相片質量滿足要求時，選取測區范圍內合理分布的控制點利用空三射線編輯器進行人工刺點，最終生成DSM和DOM成果數據。

2.精細化建模及模型矢量化

本次試驗以滿足1∶1000比例尺地形圖成果要求精度為目的進行測試。參考《CHZ3005-2010低空數字航空攝影規范》進行航攝設計，擬定將本次航行地面分辨率控制在8cm。通過公式H=GSD×F/a求得理論飛行高度291.84m。根據試驗區進行航飛后得到參數（如表2所示）：

表2 相關參數

為了更好地驗證本次試驗的適用性，對此次飛行成果分別以DOM采集及模型矢量化兩種方式進行處理，并分別對這兩種方法的作業效率、優缺點進行比對分析。

2.1 DOM矢量化采集

使用Pix4DMapper軟件將攝影測量中獲取的數據信息進行空三計算、點云加密及正射影像生成等步驟。對原始影像進行重采樣，生成DOM和DSM成果。將生成的DOM成果作為工作底圖，通過人工解譯對該區域構筑物的特征點進行矢量化采集，生成矢量數據；利用ARCGIS軟件對DSM進行批量地面高程點提取、抽稀及整飾后，得到高程數據。將矢量數據與高程數據進行疊加后，得到1∶1000地形圖最終成果數據。（如圖2所示）：

圖2 DOM下采集的地形要素

2.2 三維模型矢量化采集

經試驗發現，對于大比例尺地形圖的采集僅通過DOM矢量化的技術手段精度無法滿足規范要求，因為房檐及房屋主體的遮擋，很多時候通過正射影像并不能準確地采集房屋的外輪廓，所以一定要有三維模型和點云數據作為參考。無人機能夠獲取全方位、多角度的立體影像信息，承載更加豐富的數據信息，且無人機低空攝影測量技術也可較好地消除正射影像DOM的傾斜遮擋情況。將通過傾斜攝影測量的方式獲取的數據信息利用ContextCapture軟件進行空三計算、模型重建，生成三維實景模型并利用CASS3D插件將三維實景模型與CASS進行聯動，在模型上進行裸眼立體采集獲得矢量數據及高程信息，直接得到1∶1000地形圖成果數據（如圖3所示）：

圖3 三維模型下采集的地形數據

3.精度檢測

本次針對模型矢量化成果進行精度檢測，模型矢量化精度即為傾斜攝影數據的測量值與真值之間的差值。檢測方法是利用傳統網絡RTK技術配合全站儀實測檢校點，通過比對檢測坐標點與成果坐標點的差值，檢測平面及高程精度。傳統測量方法在測量前通過已知點檢測校準，且技術發展已經非常成熟，測量結果置信度很高，姑且視為真值。

（1）檢查點的平面中誤差按式（1）計算:

式中，Mx為坐標X的中誤差；My為坐標Y的中誤差；Ms為點位中誤差；Xi為坐標X的檢測值；Yi為坐標Y的檢測值；xi為模型點位X坐標值；yi為模型點位Y坐標值；n為平面檢測點個數。

（2）檢查點的高程中誤差按式（2）計算:

式中，Mh為高程中誤差；Hi為RTK實測高程；hi為模型點位高程；n為高程檢測點個數。

經過檢測比較（如表3所示）后，根據中誤差計算公式求得本次測試結果平面點點位中誤差為±0.275m，小于成果允許中誤差±0.5m；高程點點位中誤差為±0.1m，小于成果允許中誤差±0.15m。由此可知：此種方法得到的成果精度可以滿足規范要求。

表3 精度檢測統計

4.研究和分析

通過成果與檢測數據對比，結合從數據采集到內業處理各階段的分析，總結出無人機攝影測量中幾個影響精度誤差的主要來源：

（1）像控點布設時尺寸過小，后期像控刺點時出現較大誤差，導致正射影像精度不足。正常情況下，以布設“L”型像控點標志為例，像控點標志單邊長度應不低于航攝影像地面分辨率的7倍長；

（2）合理布設像控點可以使成果精度得到明顯地提升，但當像控點的數量達到一定程度后，增加平面控制對平面精度的影響不大。所以應根據具體情況，按照合適的間距布設像控點[3]；

（3）飛行方向盡量選擇與測區內房屋紋理較多的一面相垂直，可有效減少房屋拉花的現象；

（4）在模型構建中，被樹木遮擋部分或房屋間距太小導致模型構建不完善以及露臺或凸出的陽臺下方等傾斜影像無法獲取的地方，是軟件通過算法將周圍物體擬合而成的。直接采集會存在較大誤差，需要對其做借邊或做輔助線的操作來保證精度要求，必要時需進行外業補測。

5.結束語

綜上所述，采用大疆精靈4 RTK無人機攝影測量技術與CASS3D結合的三維測圖方式在大部分情況下都具有可行性，與傳統測量相比，其優勢在于減少外業工作量和生產成本，將工作重心轉移到內業，可減少工作周期。其在效率、精度、成本和工期等方面都有著明顯的優勢，充分體現了無人機傾斜攝影測繪成本低、效率高、精度準、成果直觀等優勢，為大比例尺地形圖測繪提供了一個新的解決方案[5]。但這也帶來了海量的數據，如何將信息處理的總體速度加快，不讓其過多地消耗電腦配置，發揮其更高層次的工程測量價值，也成為我們今后要克服的難題。