水庫建設無人機真正射影像制作與關鍵技術分析

張巧巧

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 引言

隨著無人機航測技術的快速發展，傳統的正射影像已不能滿足水利水電實際運用的需求，例如水庫建設、城市防洪排澇、城市河道治理等項目均有高架橋、高層建筑物等高落差地物。生產項目中建筑物密集的區域不斷增多，雙重映射、糾正變形等問題使傳統正射影像的應用面臨諸多困難。由于傳統的正射影像都是基于DEM生產的，只考慮地面地形而沒有顧及地面上建筑物、樹木等具有自身高度地物的影響，尤其是面對高落差建筑物時，影像上就會出現其輪廓偏離正確位置并遮擋壓蓋其它地物的情況，嚴重降低了正射影像圖的質量，最終造成正射影像與矢量圖疊加困難。真正射影像圖是真正意義上確保影像處處均為垂直的正射投影圖，能完全糾正地物的位置。本文旨在探討分析影響真正射影像制作的關鍵因素并結合水庫項目特殊地物實現真正射影像的生產。

2 項目應用

2.1 項目概況

清沙河水庫位于貴陽市息烽縣永靖鎮，所在河流為長江流域烏江水系息烽河支流清沙河。清沙河發源于息烽縣永靖鎮新籮村小關沖，河流由南向北經倉邊、新籮、陽朗壩等地，在梅家橋匯入息烽河。清沙河水庫正常蓄水位1230.50 m，正常蓄水位以下庫容290.5萬m3，總庫容361.0萬m3。根據《水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)的規定：水庫總庫容在(0.1～0.01)×108m3之間，為小(1)型水庫；本工程水庫總庫容為361萬m3，為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。測繪成果要求包括水庫壩址及庫區地形圖、水庫壩址及庫區真正射影像圖、水庫壩址及庫區三維瀏覽模型。

鑒于清沙河水庫項目測區范圍內，擁有較多居民建筑物、鐵路及高鐵高架橋等特殊地物，傳統正射影像無法滿足實際規劃設計需求，尤其是測區中的高鐵高架橋，容易出現錯位的現象；并且居民房屋、圍墻等出現扭曲、壓蓋其他地物的情況。真正射影像的生產已是輔助規劃設計的關鍵數據資料，該影像所有地物均可與矢量圖完全套合，判讀性強，精度高。水庫測區情況見圖1。

圖1 清沙河水庫測區概覽圖

2.2 真正射影像理論概述

真正射影像(TDOM)是利用數字表面模型(DSM),采用數字微分糾正技術，消除投影差，使地形與地物均被糾正到正確的平面位置，并對地物造成的遮擋與陰影進行有效的檢測與恢復，改正原始影像的幾何變形，TDOM是對整個區域進行影像重采樣后,使影像視角被糾正為垂直視角而形成的影像圖。

傳統DOM特點如下：①基于DEM來糾正；②傾斜且有側面影像的建筑物；③高層建筑物引起的遮蔽現象；④鑲嵌拼接引起的地物錯位、變形等。

真正射TDOM特點如下：①基于DSM來糾正；②建筑物完全垂直，圖片上的任一物體都是垂直其方向往下看的效果；③無遮蔽、錯位等現象。

傳統正射影像由于走拼接線的影響，如果拼接線在某些建筑物上穿過、交匯等就會出現建筑物的錯位和變形，所以傳統的生產一般都會經過后期拼接線處理繞開建筑物，但是仍然會出現建筑物壓蓋其它地物的現象，顯示的是建筑物側面的影像。而真正射影像圖能確保影像處處均為垂直的正射投影圖，能完全糾正地物的位置，見圖2～圖3。

圖2 傳統正射影像圖及拼接線

圖3 真正射影像圖

2.3 影像重疊度

原始影像數據的重疊度是影響真正射影像質量的重要因素。真正射影像的生產必須以高精度的DSM為基礎，減少角度因素對DSM精度的影響，航向重疊度和旁向重疊度要求分別至少達到68%和75%，原則上要求基高比(B/H)小于0.3外，還要保證在航向和旁向分別至少有3度重疊，符合這些條件才能夠生產出符合質量要求的真正射影像。

更多的立體模型無疑是軟件匹配獲取高質量DSM的前提條件，更多角度的模型可以有助于細節的判讀，尤其是要保證建筑物頂部輪廓的重疊度，但是當影像的重疊度達到了一定的時候，再增加重疊度對于影像質量的提高沒有明顯的效果，所以保證75%左右的重疊度是必要的，也是相對比較有效的。

2.4 點云質量

點云質量的高低直觀體現了真正射影像的優劣，影像的重疊度也是為了保證內業處理時能保證點云提取的質量，因為它是基于DSM的糾正，點云的密度越高，產生的點越多，那么得到的細節也就越多。

例如一個房屋的屋頂的點云能完全符合其實際輪廓，點云在屋面上平整，邊緣清晰，那么真正射影像就能保證清晰無變形；若房屋輪廓點云有錯位、拉花、褶皺等，那么最終的真正射影像也會出現相應的錯位、拉花、褶皺等。所以內業處理不能只追求處理最快的參數設置，而是要采用保證點云提取質量的參數設置，當然也沒必要所有的選項都是按照最高的標準，這樣也會嚴重影響處理的速度。

2.5 真正射影像的制作流程

目前無人機航測處理軟件有很多，技術也趨于成熟，可選擇性很高。常用的生產真正射影像的無人機軟件有Inpho、Pix4D等，以下是結合軟件生產給出的制作流程見圖4。

圖4 真正射影像制作流程圖

3 水庫真正射影像成果展示與關鍵技術分析

3.1 水庫真正射影像成果展示

水庫真正射影像圖成果要求滿足1∶1000用途需求，影像分辨率10 cm。經檢查地物沒有出現地物錯位、遮擋、扭曲、變形等問題，與地形矢量圖套完全套合，完全滿足規劃設計用圖要求，見圖5。

圖5 水庫真正射影像成果圖

3.2 水庫傳統正射影像與真正射影像細節對比

水庫庫區高鐵高架橋由于和地面存在較高落差，導致傳統正射影像高架橋出現錯位現象，與實際地物存在較大偏移誤差，嚴重影響影像圖正常使用與判讀。然而真正射影像圖則沒有出現該現象，成果質量符合實際情況，見圖6～圖7。

圖6 傳統正射影像水庫庫區高架橋出現錯位

3.3 不同重疊度的試驗分析

這次水庫生產任務同時進行不同重疊度的試驗分析，航測成果質量關鍵的因素仍是外業獲取的影像數據的質量，高質量的影像數據即對應高精度的內業成果。因為當前高智能化的軟件處理方式和先進的計算算法，根本不需要太多的人機交互操作，所以關鍵仍在于外業數據。在真正射影像制作中，影像的重疊度無疑是首要控制的因素，接下來我們就針對不同的重疊度，旁向重疊和航向重疊分別在6060,7080,8080三種不同情況下真正射影像的對比情況，見圖8～圖11，很明顯傳統正射影像和重疊度6060真正射影像屋頂邊緣有拉花、變形的現象，重疊度7080,8080則質量良好。

圖8 傳統正射影像

圖10 真正射影像(7080)

3.4 內業點云精度的對比分析

由于該水庫地形地物較為單一，沒有超高層建筑物，所以點云質量對真正射影像的影響無法在高架橋上明顯的體現。其實在真正射影像制作生產過程中，影像數據的重疊度保證了內業點云提取的質量，減少了角度因素對DSM的影響。下面以某高層數據進行更深一步的分析，對以后在水利建設區域可能出現的高落差建筑物時的一種生產方式。圖12中30層的高樓頂邊緣仍有鋸齒、拉花現象出現，圖13和圖14就是其對應的點云數據及模型，可以明顯看到建筑物側面有大量飛點，產生的模型邊緣就不規整；圖15中的房屋邊緣很規整，成果質量良好，圖16和圖17則是對應的點云數據及模型，可以直觀的看到房屋側面基本沒有飛點，模型邊緣規整。對比結果是：高質量的點云決定了高質量的真正射影像，然而變形、拉花的點云則對應低質量的影像。

圖12 樓頂邊緣有拉花重影

圖14 邊緣輪廓線有褶皺

圖16 建筑物側面無飛點

4 結語

本文旨在探討分析影響真正射影像制作的關鍵因素并結合軟件實現擁有特殊地物高鐵高架橋的水庫項目真正射影像的生產，通過該試驗得到如下結論：

(1)真正射影像相對于傳統正射有著明顯的優勢，能有效解決地面地物的錯位、拉花等現象，更有助于實際生產運用；一般的水利建設項目均能快速有效的生產真正射影響成果圖。

(2)外業航飛質量是保證真正射影像生產的首要條件，直接決定了點云提取的質量。

(3)高密度、高質量的點云數據是獲取高質量真正射影像的關鍵，是成果最直觀的體現。

但是在本次試驗中也存在不足：

(1)本文側重在于真正射影像生產因素的探討，沒有結合控制點、免像控后差分數據等多方式的相關實測數據對真正射影像進行精度評定。

(2)目前某些河道項目位于城區，為避免地物壓蓋河道、道路的情況，對于城區超高層建筑物的屋頂在相應的地面重疊度下會有所降低，若地面75左右的重疊度，樓頂會低于這個重疊度，是否有必要對超高建筑物進行補拍，補拍效果如何沒有進行試驗；并且對于復雜輪廓的超高層建筑物自動化提取的點云很難達到規整的水平，邊緣都有細微的拉花，還有待試驗解決。