基于無人機遙感影像DEM生產與精度評價

李顯軍

(陽春市自然資源測繪中心 廣東 陽江 529699)

數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）作為現代數字地圖4D產品中重要的一部分，在科學領域和工程應用中都有著廣泛的應用?，F有的DEM 數據較易獲取，但分辨率較低，且不足以充分描繪真實的地形特征，難以實現對高精度地塊的地表形態表達[1]。

低空無人飛行器的測繪遙感系統主要由航拍無人機系統、任務載荷系統和數據處理系統等組成。采用低空無人飛行器進行航拍快速獲取測區大比例尺4D產品，由于受天氣干擾較少目前已經成為一種效率高而成本低的遙感測繪方式。無人飛行器搭載相機設備、傾斜攝影設備用于環境安全、開發利用實時監測為決策部門提供及時、準確的數據和資料，更好地服務于國民經濟建設綠色發展[2]。

本項目航空攝影擬使用UAVRS-20型無人飛機完成航空攝影飛行任務；攝影相機采用Canon 5D Mark II數碼相機獲得影像；影像拼接采用隨機軟件完成，內業處理擬采用數字攝影測量工作站MapMatrix、南方開思軟件完成整個航測內業工作，實現攝影與測圖生產流程一體化。

1 無人機飛行設計

1.1 航區與航線設計

1.1.1 航攝分區的劃分攝區地形高差相差較小，根據規范要求可不用分區。在攝區略圖上注攝區代號經緯度、圖幅編號、重要湖泊、城鎮河流以及有關說明等。

1.1.2 航線敷設要求

航線按地形條件和攝區進行設計。

1.1.3 航攝季節和航攝時間的選擇

航攝時間應根據攝區太陽高度角顧及光照陰影倍數確定平地太陽高度角大于20°，陰影倍數小于3.5；丘陵地太陽高度角應大于25°陰影倍數小于2.1。

1.2 航姿與像片設計

1.2.1 像片重疊

測區按平地要求采用正常重疊進行設計，航向重疊不小于80%，旁向重疊不小于40%。

1.2.2 像片傾角設計

像片傾角一般不大于2°，最大不超過3°。

1.2.3 覆蓋攝區、圖廓設計

航向覆蓋要超出測區整個邊界線且大于一條基線；旁向覆蓋超出測區大于像幅的50%，最少要大于像幅的30%。

1.3 POS參數閾值

當相鄰的照片的重疊度小于該閾值時認為這兩張照片分屬不同的航帶。設置每天航帶的最少像片數少于該照片數會忽略[3]。照相時飛行姿態的最大俯仰角閾值，俯仰角超過該閾值的照片會被忽略。當相鄰照片的旋偏角超過閾值時則認為它們分屬不同的航帶。設置航帶最大曲率閾值自動創建的航帶保證其曲率不超過該閾值。航攝資料不允許有漏洞，任何航攝中出現的漏洞均要及時補攝，必須按原設計要求滿足區域網加密的要求并超出漏洞外采用同一主距的數字航攝儀進行補攝一條基線。設置照相時飛行姿態的最大側滾角，側滾角超過該閾值的照片將會被忽略。旋偏角一般不大于10°，最大不超25°，超過25°重飛。

同一條航線上最大航高與最小航高之差小于50 m，航攝分區內的實際航高與設計航高之差小于設計航高的5%，相鄰的航高差不大于30 m。

1.4 相機校驗

相機檢校的目的是檢校出像主點的偏移量、畸變參數等重要信息，是攝影測量應用的基礎工作。相機檢校的精度會直接影響后期攝影測量成果的精度[4]。如果相機檢校精度不夠，會影響整個數據后處理結果的精度，導致辛辛苦苦航飛的數據，經過繁復的加工處理，依然達不到既定的項目目標，浪費人力、物力，耽誤項目工期。

正是由于相機檢校的重要性，所以航測的測繪工作中對相機檢校的工作不能馬虎。校驗的方法主要有三維檢校場檢校和自檢校兩種。

根據立體影像進行檢查DEM，精度不滿足要求時需重新對特征點、線進行整合生成DEM，生成DEM 的過程如圖1所示。

圖1 DEM生成流程

2 數字高程模型（DEM）生產中空三加密處理

DEM生產過程中需要設置的基本參數：POS參數、航帶參數、空三轉點、空三解算等[5]。

2.1 POS參數設置

POS參數設置見圖2。

圖2 POS參數設置

2.2 空三轉點設置

空三轉點設置見圖3。

圖3 空三轉點設置

2.3 自動化處理

自動處理包括：自動劃分航線轉點、自動平差解算輸出全區粗略DEM并輸出單片糾正DOM，最后勻光勻色輸出全區快視圖，詳見圖4。如果精度要求不高輸出的DEM成果即可滿足需求，如果還需要進一步制作更精細的DEM正射影像需要繼續執行人工操作[6]。

圖4 自動處理形成的部分DEM

2.4 交互編輯

交互編輯需要匹配同名像點和標準點位，若標準點位內不存在同名像點需手動加點；若在標準點位內存在同名像點無須增加連接點。人工加點方法主要有兩種：（1）航帶法人工加點；（2）人工選片法加點。對于小數碼影像一般建議使用第一種加點方法即航帶法人工加點。

2.5 平差計算

完成初步平差系統就可以預測控制點并重復自動加點過程完成剩余控制點的量測工作。像坐標限差默認為像素大小的一半，控制點在大地坐標系中的平面限差，高程限差默認大小都是0.6 m。設置好限差后根據指定的限差進行光束法空三解算。由于匹配已經夠多，不需要進行人工編輯粗差點。進行平差解算后直接刪除，直到無粗差點被挑出。平差后生產的DEM見圖5。

圖5 平差計算后DEM

3 作業步驟與主要技術指標

3.1 內定向和相對定向

定向精度要求內定向框標坐標量測誤差應不大于0.02 mm；相對定向各點的殘余視差一般不大于0.025 mm，最大0.03 mm。直接使用空三加密創建的模型進行定向需要檢查內定向、相對定向和絕對定向的精度。

3.2 檢查DEM數據范圍、精度接邊是否合格

DEM精度的檢查方法：當DEM數據精度滿足規定的相應要求時將DEM 生成等高線疊加到模型上來檢查，也可以在立體模型上采集檢查點。

3.3 修改DEM數據

當DEM 數據存在錯誤時需重新采集不符合要求的特征點、線，整合后生成DEM 符合要求并重新提交修改后的DEM數據。特征點、線的采集DEM具體要求如下。

（1）特征點：肩部、山頭、鞍部和凹地等。（2）特征線：山地與平地交界的山脊谷線；有一定高差的地形變換線和靜止水面、塹坎、斜坡、梯田坎等；靜止水面（如：水庫、湖泊等）、寬度大于5 m水涯線、大面積平坦地區內的道路及有地形變換的要素。在丘陵地山地地區要利用同種資料相同設備檢測特征點線的高程精度，特征點、線采集的密度數量應能較好地反映地貌。

3.4 整合特征點、線

用線性內插增加特征線上點使由特征點線形成的不規則三角形能看出地表真實情況，整合特征點使特征線之間的平距大于1 m。

3.5 生成DEM

將整合后的特征點線生成分辨率正確DEM（見圖4），要求符合精度無漏洞無異常值。

3.6 DEM的精度評價

利用空三加密檢查點（個別不大于1.0 m）。丘陵地的高程誤差不大于1.7 m來評價DEM的精度。用線性內插檢查高程值并與檢查點高程值比較，要求山地的高程誤差一般不大于3.3 m，平地誤差不大于0.7 m，并以1∶10 000圖幅為單位分別評價數字高程模型形成的DEM，如圖6所示。

圖6 DEM圖

4 結語

無人機給測繪行業帶來了革命性的發展，已經應用于土地管理、設計規劃、實時監控和災害預測等很多領域。該文給出了適合于土地確權的無人機遙感影像DEM生產流程設計，對數字高程模型（DEM）生產中空三加密處理（POS 參數設置、空三轉點設置、自動化處理、交互編輯）等進行了詳細規劃與實施，建立了DEM作業步驟及主要技術指標，進行了精度檢查等工作。