無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其應(yīng)用探討

鐘金杏，王 晶，緱武龍，謝英凱

（1.高州市自然資源局（高州市不動(dòng)產(chǎn)登記中心），廣東 高州 525200；2.廣東友元國土信息工程有限公司，廣東 廣州 510630；3.廣州愛遠(yuǎn)土地房地產(chǎn)評(píng)估有限公司，廣東 廣州 510630；4.廣州市華南自然資源科學(xué)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510630）

1 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)

1.1 DOM及DEM技術(shù)

DOM技術(shù)也稱數(shù)字正射影像技術(shù)，該技術(shù)按照特定圖幅范圍，對(duì)數(shù)字微分進(jìn)行糾正、鑲嵌、裁剪形成數(shù)字正射影像集，同時(shí)具備影像特征及地圖幾何精度特點(diǎn)[1]。DEM技術(shù)全稱為數(shù)字高程模型技術(shù)，是基于有限地形高程數(shù)據(jù)，構(gòu)建地面地形數(shù)字化模型（一組有序數(shù)值陣列形式），實(shí)現(xiàn)數(shù)字化表達(dá)的一種技術(shù)[2]。無人機(jī)測(cè)繪使用DEM技術(shù)的原理是：在空三加密基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)原始影像數(shù)據(jù)的重采樣，生產(chǎn)核線影像，通過系統(tǒng)自動(dòng)匹配功能與三維離散點(diǎn)相互匹配，得到DSM后濾波處理獲得DEM。DEM與DOM相互影響，只有高精準(zhǔn)度DEM才能保障DOM的高精度，特別是對(duì)一些陡壁、高架橋等特殊區(qū)域，需要手動(dòng)添加特征線，單純依靠人工鑲嵌處理，工作量大，因此要盡可能規(guī)避這些建筑物，保障DOM接邊精度達(dá)標(biāo)。

1.2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量簡稱空三加密，是通過航攝影片與被攝對(duì)象間的空間幾何關(guān)系，結(jié)合少量已知地面控制點(diǎn)，利用最小二乘法原理，快速求解影像自動(dòng)加密問題，建立實(shí)地模型，獲得測(cè)點(diǎn)高程與平面坐標(biāo)的技術(shù)手段，是數(shù)字測(cè)繪產(chǎn)品的核心[3]。在系統(tǒng)中，空三加密應(yīng)用流程如下。

（1）相對(duì)定向，利用計(jì)算機(jī)視覺算法進(jìn)行匹配，確定相片關(guān)系。

（2）絕對(duì)定向，采用像控點(diǎn)+平差計(jì)算，將相對(duì)定向確定的相片關(guān)系解算至特定坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，建立傳感器、影像、地面數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。在進(jìn)行空三計(jì)算時(shí)，會(huì)分別生成地面及空中三空，以地面部分點(diǎn)位為控制點(diǎn)，結(jié)合外業(yè)實(shí)測(cè)像控點(diǎn)剛性配準(zhǔn)，生成新的空三，然后將地面及空中三空相互結(jié)合，優(yōu)化后獲得完整空三測(cè)量報(bào)告。

1.3 相機(jī)校驗(yàn)

無人機(jī)在測(cè)繪過程中，非測(cè)量相機(jī)屬于必要搭載設(shè)備，其主距f和像主點(diǎn)在像片中心坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)位置無法通過直接量測(cè)獲得，必須預(yù)先定好原點(diǎn)坐標(biāo)。非測(cè)量相機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一定不足，如鏡頭畸變差大、像幅小、數(shù)量多。以頭畸變差大為例，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量像點(diǎn)坐標(biāo)偏差，繼而破壞像點(diǎn)、投影中心及對(duì)應(yīng)物方點(diǎn)之間的共線關(guān)系、物方坐標(biāo)解算精度等，需要及時(shí)采取措施進(jìn)行校正[4]。常用相機(jī)校正方法有自檢校法、試驗(yàn)場(chǎng)檢校法、多像滅點(diǎn)檢校法。

1.4 PPK技術(shù)

PPK技術(shù)，全稱為動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，是GPS技術(shù)的一種，主要通過載波相位進(jìn)行事后差分。工作原理是：利用同步觀測(cè)基準(zhǔn)站接收機(jī)和流動(dòng)站接收機(jī)觀測(cè)衛(wèi)星載波相位觀測(cè)量，在計(jì)算機(jī)內(nèi)利用GPS處理軟件進(jìn)行處理，線性組合后形成虛擬載波相位觀測(cè)量，確定接收機(jī)相互之間的關(guān)系，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后獲得流動(dòng)站坐標(biāo)[5]。該技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為突出，主要體現(xiàn)在：①外界環(huán)境干擾小；②作業(yè)半徑大，達(dá)到30 km；③定位精度高，精度可達(dá)5 mm，誤差不傳播，不累積，能夠獲得高精度姿態(tài)信息（ψ，ω，κ），應(yīng)用于空中三角測(cè)量中。

2 無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 地形測(cè)繪

無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)可應(yīng)用于地形測(cè)繪工作中，主要工作流程是：由無人機(jī)攝影獲取數(shù)據(jù)，GPSRTK及全站儀獲得外業(yè)數(shù)據(jù)，利用DPS系統(tǒng)、空三加密、相片控制點(diǎn)等處理數(shù)據(jù)和進(jìn)行測(cè)繪精度試驗(yàn)，確定該無人機(jī)測(cè)繪方法能滿足地形測(cè)繪實(shí)際需求。以無人機(jī)傾斜攝影測(cè)繪1：500地形精度測(cè)繪為例，作業(yè)步驟是：項(xiàng)目任務(wù)確定→空域申請(qǐng)→航線設(shè)計(jì)→無人機(jī)航空攝影→數(shù)據(jù)檢查→影像處理→提交結(jié)果。在無人機(jī)實(shí)飛之前，做好前提準(zhǔn)備工作，選擇適宜攝影時(shí)間、起落點(diǎn)位置等，如12月晴朗，適合攝影時(shí)間段[6]，上報(bào)至空域部門進(jìn)行申請(qǐng)；申請(qǐng)通過后，正式開始無人機(jī)飛行攝影。本項(xiàng)目選用Phantom 4 Pro型號(hào)的無人機(jī)，搭載傳感器后進(jìn)行飛行；在飛行階段需確定相片重合度、航線、航高等參數(shù)，其中，相片重合度可參考相關(guān)規(guī)范，將航向重疊度和旁向重疊度分別控制在60%～80%、15%～60%；航高（H）需要計(jì)算得出，公式為

式中，f為鏡頭焦距（mm）；GDS為地面分辨率（1：500地形圖地面分辨率不超過0.05m）；a為像元尺寸大小（mm2）。

無人機(jī)航空攝影完成后，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密、立體測(cè)圖等處理后，構(gòu)建實(shí)景三維模型，繪制地形圖，完成地形測(cè)繪工作。具體如下。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。將拍攝到的正射、斜射影像導(dǎo)入軟件，自動(dòng)檢查攝影信息，去除不合規(guī)影像，添加相機(jī)參數(shù)，完成相片自動(dòng)矯正[7]。編輯控制點(diǎn)，注明控制點(diǎn)位置信息，添加對(duì)應(yīng)影像，點(diǎn)擊保存后進(jìn)行空三解算，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。

（2）空三加密。該地形圖為1：500，在前期攝影過程中，完成空三加密信息、相片控制點(diǎn)信息、測(cè)圖信息等搜集工作，以測(cè)量控制點(diǎn)位標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。在對(duì)具體空三加密量測(cè)控點(diǎn)期間，要綜合判斷點(diǎn)位位置，篩選處個(gè)別錯(cuò)點(diǎn)、上下航線同名目標(biāo)等，保障點(diǎn)位準(zhǔn)確，并嚴(yán)格控制相對(duì)定向環(huán)節(jié)連接點(diǎn)上下視差中誤差。分析發(fā)現(xiàn)，空三加密點(diǎn)最大高程及平面誤差為0.2 m、0.163 m，中誤差分別為＋0.1 m、＋0.04 m；在進(jìn)行檢點(diǎn)數(shù)據(jù)分析的過程中，發(fā)現(xiàn)高程及平面的最大誤差、中誤差分別為0.27 m、0.237 m，0.13 m、＋0.105 m，誤差值均在行業(yè)規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明在空三加密方面，該無人機(jī)攝影技術(shù)提供的技能，能夠滿足1：500地形圖精度需求。

（3）三維模型及地形圖編輯。在系統(tǒng)中加載三維實(shí)景模型，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，完成地物要素采集工作，并將對(duì)應(yīng)位置信息與控制點(diǎn)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地物要素平面坐標(biāo)誤差為0～0.11 m，中誤差為0.06 m，高程中誤差為0.07 m，在1：500地形圖允許誤差范圍內(nèi)，即平面、高程中誤差分別＜0.2 m，＜0.2 m（平原）、＜0.4 m（丘陵），均符合地形圖測(cè)繪精度要求。同時(shí)，重視地形圖編輯工作，及時(shí)修改航內(nèi)判讀不清晰、不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，修改不存在的地貌要素；在對(duì)所有圖幅進(jìn)行拼接處理時(shí)，需要確保各個(gè)線狀要素完整，組好街道、街區(qū)總接邊；及時(shí)清理垃圾數(shù)據(jù)，如多余層、塊及線型等；對(duì)所有圖形均做好圖面檢查工作，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，可用于航測(cè)影像快速獲取和處理，且獲取影像精度高，便于相關(guān)人員全面掌握區(qū)域環(huán)境污染程度和排污情況，增加環(huán)境保護(hù)工作成效[8]。以空氣質(zhì)量檢測(cè)為例，在無人機(jī)內(nèi)搭載氣體傳感器，用于收集各種基本信息，如氣體實(shí)時(shí)濃度、溫濕度、PM2.5、經(jīng)緯度、高度等，顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，勘察歷史數(shù)據(jù)，并生成曲線分析圖，便于對(duì)比查看，如對(duì)100 h內(nèi)PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和國控點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定一段時(shí)間內(nèi)，空氣環(huán)境質(zhì)量；還可以通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至地面端，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。工作流程是：打開氣體傳感器、上位機(jī)發(fā)送命令、自動(dòng)識(shí)別氣體名稱和量程、反饋實(shí)時(shí)氣體濃度、處理采集到的各種數(shù)據(jù)、關(guān)閉氣體傳感器，在這一數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中，倘若發(fā)現(xiàn)氣體濃度超標(biāo)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，聯(lián)系責(zé)任人進(jìn)行處理。另外，在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)還可用于固定污染源監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、濕地監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

2.3 災(zāi)情救援

縱觀近些年我國自然災(zāi)害發(fā)生情況，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害發(fā)生頻率越來越高，如暴雨災(zāi)害、地震災(zāi)害、洪澇災(zāi)害等，屢見報(bào)端，各種災(zāi)害后救援工作開始成為社會(huì)各界關(guān)注的重點(diǎn)。在這種情況下，將無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用其中，發(fā)揮關(guān)鍵作用，不僅能提升救援工作便利性，還能提高救援效率，拯救更多生命[9]。例如，基于無人機(jī)測(cè)繪攝影的應(yīng)急數(shù)據(jù)處理技術(shù)，主要使用軟件為Pix4Dmapper，包含高精度和快速處理兩種模式，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇相應(yīng)模式，完成數(shù)據(jù)處理，獲得測(cè)繪產(chǎn)品。項(xiàng)目開展地區(qū)為某平原，測(cè)區(qū)面積共50 km2，在設(shè)計(jì)規(guī)劃的航攝區(qū)域和航線中，東西方向和南北方向相對(duì)航高為2000 m、1000 m，航向重疊70%，旁向重疊40%。采用無人機(jī)掛載飛思相機(jī)（焦距為50 mm、分辨率為10328×7760）完成數(shù)據(jù)處理，共拍攝相片數(shù)量為171張，10 cm分辨率測(cè)區(qū)面積為20 km2，相片數(shù)為126張；200 cm分辨率測(cè)區(qū)面積為30 km2，相片數(shù)為45張，獲得數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)后處理。

該軟件數(shù)據(jù)快速處理流程是：POS數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理；新建工程，加載相片數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)；設(shè)置處理參數(shù)；一鍵處理數(shù)據(jù)，輸出DOM成果、DSM成果、空三成果、點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果。數(shù)據(jù)處理完成后，對(duì)其成果進(jìn)行檢驗(yàn)。從處理模式及成果看，分別進(jìn)行1：1000和1：2000成圖測(cè)試，基于原始數(shù)據(jù)量進(jìn)行處理后（1：1000原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量為28.2 GB；1：2000原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量為10.1 GB；），發(fā)現(xiàn)處理后成圖后匹配點(diǎn)數(shù)量多且均勻（空三成果），點(diǎn)云加密可匹配得到高密度點(diǎn)云，生成10 cm和20 cm的DOM和DSM，成圖精度大大提升。最終生成的測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量高，圖像無扭曲、拉花現(xiàn)象，顏色均勻，放大后，邊緣清晰可見，無錯(cuò)位。同時(shí)，根據(jù)軟件生成精度報(bào)告可見，無論1：1000還是1：2000，其高程及平面精度均在應(yīng)急測(cè)繪數(shù)據(jù)處理范圍內(nèi)，如1：1000成圖高程精度＜0.643 m，平面精度＜0.465。但是，兩者實(shí)際處理效率，對(duì)應(yīng)原始數(shù)據(jù)大小及輸出成果等存在差異（具體見表1），倘若應(yīng)用于災(zāi)害救援，對(duì)精度要求不高，可適當(dāng)降低參數(shù)要求，提升處理效率，以便快速獲得成果。

表1 不同比例尺產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理效率及精度比較

3 結(jié)束語

綜上所述，伴隨無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)快速發(fā)展，DOM及DEM技術(shù)、空中三角測(cè)量、相機(jī)校驗(yàn)、PPK技術(shù)等也隨之成熟，技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步突顯，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，在地形測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)情救援等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，能夠用于不同區(qū)域數(shù)據(jù)和信息的有效、快速采集與數(shù)據(jù)處理，并得到了十分積極的反饋。未來，無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)仍將有極大發(fā)展空間，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)研究與實(shí)踐，最大化發(fā)揮其積極價(jià)值。■