基于GeoScene軟件對(duì)無人機(jī)影像解算的應(yīng)用研究與問題分析

羅永晶 趙瑞蕓 張愛斌 趙耀彬

（1.內(nèi)蒙古興業(yè)銀錫礦業(yè)股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.內(nèi)蒙古邦泰建設(shè)工程有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.赤峰市自然資源儲(chǔ)備整理中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

無人機(jī)測量技術(shù)應(yīng)用，是指遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）與全球定位系統(tǒng)（GPS）的技術(shù)融合[1]，充分利用各自優(yōu)勢形成高效的測量手段。

本文利用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)獲得相關(guān)數(shù)字產(chǎn)品，并利用GPS 差分技術(shù)獲得高精度地物三維坐標(biāo)，彌補(bǔ)了攝影測量的不足。最后，利用GIS 軟件對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到項(xiàng)目所需的數(shù)據(jù)成果。同時(shí)介紹了3S 技術(shù)的不足之處 ：

（1）無人機(jī)攝影測量憑借測繪效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[2,3]。但對(duì)于地形起伏較大的測區(qū)，受地形畸變差的影響，得到的高程值仍不能滿足大比例尺需求。同時(shí)，易受地表植被影響，無法得到準(zhǔn)確的DEM 模型。本文結(jié)合案例地形情況，建立兩種測量方案進(jìn)行對(duì)比，以傳統(tǒng)測量方式結(jié)果為真值，系統(tǒng)分析無人機(jī)測繪的精度質(zhì)量。

（2）GPS 差分技術(shù)能夠得到高精度的三維坐標(biāo)，但因測繪手段限制，在效率、數(shù)量上無法與無人機(jī)測繪媲美。特別是針對(duì)工程建設(shè)的土方測算，該技術(shù)局限于高程點(diǎn)密度，建立的TIN 三角網(wǎng)無法接近真實(shí)地形，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定的差距。

（3）GIS 系統(tǒng)目前發(fā)展相對(duì)成熟，在測繪行業(yè)得到了廣泛使用。GIS 的分析功能較為強(qiáng)大，但對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量具有較強(qiáng)的依賴性，對(duì)數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量有一定決定作用。

2 Ortho Mapping 模塊介紹

Ortho Mapping 模塊（以下簡稱“正射映射”），由Esri 公司在2015 年與武漢大學(xué)合作，引入張祖勛團(tuán)隊(duì)開發(fā)的航空航天數(shù)字?jǐn)z影測量處理平臺(tái)DpGrid 技術(shù)。易智瑞GeoScene Pro 軟件繼承了該模塊應(yīng)用，該模塊結(jié)合攝影測量原理建立了相應(yīng)的正射映射工作流模塊，支持航空、無人機(jī)或衛(wèi)星影像等多種正射校正產(chǎn)品。同時(shí)，相較于其他無人機(jī)攝影處理平臺(tái)，正射映射模塊豐富了生產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基本參數(shù)設(shè)置，特別是影像自動(dòng)匹配、不同高程源校正模型等。

無人機(jī)正射映射工作流設(shè)置特點(diǎn)有：（1）圖像分辨率因子，用于影像自動(dòng)匹配，可針對(duì)不同地面要素進(jìn)行設(shè)置[4]；（2）修復(fù)高精度GPS 圖像位置，即能夠通過差分技術(shù)得到單張相片的相中心三維坐標(biāo)；（ 3 ）高程源，主要是恢復(fù)無人機(jī)的空間姿態(tài)，逼近真實(shí)的空間姿態(tài)，可有助于計(jì)算相鄰影像的重疊區(qū)域，進(jìn)而提高影像自匹配質(zhì)量。Ortho Mapping 模塊提供了三種高程源，第一種是網(wǎng)絡(luò)DEM 服務(wù)，第二種是涵蓋本項(xiàng)目區(qū)的已有DEM，第三種是無人機(jī)飛行的平均高度。

3 正射映射注意事項(xiàng)

正射映射需要注意以下事項(xiàng)：

（1）相機(jī)模型參數(shù)設(shè)置，對(duì)于部分無人機(jī)相機(jī)參數(shù)需要自行設(shè)置，通常只需設(shè)置焦距、傳感器像素大小即可獲得相機(jī)模型。

（2）高程源設(shè)置。

（3）修復(fù)高精度GPS 位置，使用本功能后，像控點(diǎn)將不再參與正射校正，且此功能的免像控解算質(zhì)量在垂直方向較低。

（4）圖像分辨率因子，在地物要素較為普遍，難以在粗糙分辨率下進(jìn)行影像自動(dòng)匹配，例如荒山、沙漠等地區(qū)，宜采用4 ×源分辨率。

4 實(shí)例分析

4.1 測區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目區(qū)為赤峰市中色鋅業(yè)有限公司渣場填埋區(qū)，項(xiàng)目區(qū)面積約168 畝，地形為山地，坡度較大，地表植被相對(duì)稀少，多為裸巖石礫地，測區(qū)存在多條狹窄溝渠，可滿足實(shí)驗(yàn)要求。整體來看，測區(qū)采用無人機(jī)測繪的可操作性強(qiáng)。

4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)設(shè)計(jì)

為了充分驗(yàn)證無人機(jī)測繪成果的可靠性，本文設(shè)立對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組。其中，各組數(shù)據(jù)采集應(yīng)注意以下技術(shù)要點(diǎn)：

（1）對(duì)照組：按《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》（GB/T 14912—2017）要求，以傳統(tǒng)RTK 采集的實(shí)際數(shù)據(jù)作為真值。高程點(diǎn)采集要詳盡，考慮到本項(xiàng)目需要土方測算，故高程點(diǎn)采集間距為5～10 米，對(duì)于溝渠、陡坎要著重加密。

（2）實(shí)驗(yàn)組 ：按《低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理規(guī)范》（GB/T 39612—2020）執(zhí)行外業(yè)操作技術(shù)流程，對(duì)航攝基準(zhǔn)地面分辨率、重疊度、航高、航測時(shí)間、像控點(diǎn)布設(shè)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

航線與像控點(diǎn)設(shè)計(jì)具體要求如下：

（1）地面分辨率 ：按照規(guī)范要求的1∶500 比例尺航測，分辨率≤5cm。本次無人機(jī)航測分辨率設(shè)置為3.5cm。

（2）重疊度：考慮到地形為山地，本次航向重疊度為70 %，旁向重疊度為40 %[5-7]。

（3）航高：相對(duì)航高設(shè)置為80 米。

（4）航測時(shí)間：因測區(qū)有多個(gè)分支溝渠，需減少陰影帶來的誤差，故航攝時(shí)間為正午。

（5）像控點(diǎn)：無人機(jī)平臺(tái)采用大疆精靈RTK4，自帶GNSS、IMU 輔助系統(tǒng)。

因測區(qū)較小，布設(shè)像控點(diǎn)間距較近，均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。其中，像控點(diǎn)以紅白噴漆對(duì)三角樣式作為測量標(biāo)志，像控點(diǎn)共計(jì)布設(shè)10 個(gè)平高點(diǎn)、10 個(gè)檢測點(diǎn)用于檢測數(shù)字產(chǎn)品質(zhì)量。測區(qū)航線、像控點(diǎn)與檢測點(diǎn)布設(shè)分布如圖1 所示。

圖1 航線、像控點(diǎn)與檢測點(diǎn)布設(shè)分布

4.3 無人機(jī)影像處理

目前，常用的無人機(jī)影像處理軟件有Pix4 Dmapper、Agisoft Photoscan、ContextCapture、 大疆制圖等[2]。但這些軟件平臺(tái)過于智能化，在細(xì)節(jié)設(shè)置上沒有考慮全面。本文以易智瑞GeoScene Pro 軟件的Ortho Mapping 正射映射為例講述了無人機(jī)影像處理的流程。

（1）建立正射映射工作空間，類型選擇無人機(jī)。

（2）導(dǎo)入無人機(jī)影像及POS 文件，對(duì)于大疆系列無人機(jī)，已將POS、相機(jī)模型等寫入相片EXIF。同時(shí)，設(shè)置好數(shù)字產(chǎn)品所需坐標(biāo)系。

（3）設(shè)置高程源，用于恢復(fù)無人機(jī)空間姿態(tài)與地面關(guān)系。將已有地區(qū)1∶10000 地形圖的等高線成果合成DEM 作為高程數(shù)據(jù)源。

（4）空中三角測量（校正），建議粗略快速進(jìn)行三角測量，以便查看工程區(qū)域的數(shù)據(jù)范圍和集合的處理參數(shù)，對(duì)校正進(jìn)行初步評(píng)估。然后再次運(yùn)行校正以計(jì)算優(yōu)化后的校正。

值得注意的是，由于測區(qū)為荒山，地面要素簡單，不如建筑區(qū)域地面要素豐富。為了確保匹配質(zhì)量，圖形分辨率因子選擇4×源分辨率。

（5）GCP 管理，導(dǎo)入像控點(diǎn)、檢測點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。

（6）數(shù)字成果生產(chǎn)。該軟件支持DTM、DSM、DOM等數(shù)字產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)數(shù)字高程模型采用DTM 成果，較其他軟件省去了高程點(diǎn)濾波去噪環(huán)節(jié)，可直接得到數(shù)字地形高程。

4.4 成果質(zhì)量分析

4.4.1 無人機(jī)影像處理質(zhì)量分析

實(shí)驗(yàn)引入10 個(gè)像控點(diǎn)，平均布設(shè)在測區(qū)周圍，像控點(diǎn)呈矩形，如圖1 所示。布設(shè)10 個(gè)檢測點(diǎn)，其中3個(gè)點(diǎn)位于測區(qū)溝渠底部，3 個(gè)點(diǎn)位于測區(qū)外圍山坡上，4 個(gè)點(diǎn)位于相對(duì)平坦處。具體校正成果如表1 所示。

表1 檢測點(diǎn)解算精度

從表1 可以看出，無人機(jī)測繪結(jié)果整體良好，能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.4.2 DTM 成果與網(wǎng)絡(luò)RTK 測繪成果對(duì)比

在不考慮平面誤差情況下，將外業(yè)RTK 測繪的高程點(diǎn)與DTM 對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000 外業(yè)數(shù)字測圖規(guī)程》（GB/T 14912—2017）要求，高程中誤差不應(yīng)大于相應(yīng)比例尺地形圖基本等高距的1/3，本案例等高距為1 米，即高程誤差不超0.3 米。此次對(duì)照組外業(yè)成果數(shù)據(jù)有2747 個(gè)高程點(diǎn)，經(jīng)與DTM成果對(duì)比，其中14.7%超限，超限點(diǎn)均為測區(qū)陡坎下、狹窄溝渠內(nèi)，極少部分位于片狀較大植被上。

表2 RTK測量與攝影測量成果對(duì)比超限統(tǒng)計(jì)

經(jīng)與正射影像DOM 疊加分析，86.91%超限點(diǎn)因地形畸變引起，最大誤差分布在1～-2.86 米。2.96%落在較大植被區(qū)域，因植被引起的誤差多在溝渠邊緣或內(nèi)部。10.13%位于測區(qū)邊緣，因重疊度不夠?qū)е抡`差偏大。超限高程點(diǎn)分布位置如圖2 所示。

圖2 超限高程點(diǎn)分布位置

4.5 成果校正

根據(jù)4.4.2 章節(jié)可知，地形誤差較大的溝渠多呈狹窄狀。本文利用網(wǎng)絡(luò)RTK 成果將DTM 溝渠底部數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

修正思路為：將溝渠底部RTK 測繪成果與DTM 的溝渠頂部成果進(jìn)行高程點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，高程點(diǎn)盡量密集合理，然后利用GIS 工具箱的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)TIN，再由TIN轉(zhuǎn)出溝渠的局部柵格，溝渠以外的高程設(shè)置為0，柵格分辨率與DTM 保持一致。最后再利用GIS 柵格工具箱進(jìn)行邏輯運(yùn)算，也可通過掩膜工具進(jìn)行局部柵格提取，再進(jìn)行鑲嵌[8-10]。該方法最簡單，可直接通過模型構(gòu)建進(jìn)行操作。數(shù)字高程模型修正流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)字高程模型修正流程

5 結(jié)語

本文通過實(shí)踐研究提出以下可參考性建議：

（1）目前，易智瑞GeoScene Pro 軟件采用武漢大學(xué)開發(fā)的DpGrid 技術(shù)融合為Ortho Mapping 模塊，為用戶提供了影像拼接的多種方案，特別是在圖像分辨率因子上提供了多種選擇，可根據(jù)測區(qū)地物豐富程度適當(dāng)選擇，提高了影像自動(dòng)匹配精度。與其他軟件相比，該模塊可直接生成數(shù)字地形模型DTM。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，在植被集中程度不高且植被區(qū)域地形變化較小的情況下，可直接利用DTM 生成等高線。

（2）根據(jù)表2 可知，雖然無人機(jī)測繪影像在質(zhì)量生產(chǎn)上滿足要求，但在狹窄的溝渠內(nèi)，高程質(zhì)量仍不能滿足大比例尺測繪精度需求。在實(shí)際工作中，可結(jié)合實(shí)際地形及影像解譯質(zhì)量情況，利用傳統(tǒng)RTK 方式進(jìn)行補(bǔ)測高程。