引言

傳統(tǒng)的航空攝影測量，受空域申請、航攝周期等影響，在快速響應(yīng)和小區(qū)域的精準(zhǔn)測繪中無法滿足快速更新的需求，低空無人機(jī)航測具有機(jī)動靈活、高效快速、作業(yè)成本低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為了傳統(tǒng)航測的有力補(bǔ)充。本文進(jìn)行了基于無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的1∶2000DLG數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)實(shí)踐，并對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，最后對實(shí)踐中存在的問題提出了自己的思考。本文為偏遠(yuǎn)的茂密森林區(qū)快速獲取測圖數(shù)據(jù)提供了方法，也能夠?yàn)闊o人機(jī)航測在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

無人機(jī)航測外業(yè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

1.1　無人機(jī)航測外業(yè)

（1）基本流程

無人機(jī)航測外業(yè)流程為：收集測區(qū)資料，對測區(qū)所處地理位置、地形地貌等進(jìn)行評估，考慮周圍是否有機(jī)場、軍區(qū)等，是否需要報備和空域申請等;然后根據(jù)成果要求（如成果比例尺、地面分辨率大小等）和已有無人機(jī)航測設(shè)備，確定是否可以飛行;確定可以飛行后，在地面站軟件進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)置飛行高度、重疊度、起降場等，形成飛行計劃，必要時可進(jìn)行現(xiàn)場踏勘;進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)、采集，根據(jù)測區(qū)地形地貌，也可在飛行任務(wù)完成后進(jìn)行像控點(diǎn)采集;將飛行計劃上傳至飛行控制系統(tǒng)，進(jìn)行起飛、飛行、降落，采集影像數(shù)據(jù)、記錄飛行的POS（Position Orientation System，簡稱POS）數(shù)據(jù)、獲取飛行數(shù)據(jù);地面監(jiān)測系統(tǒng)顯示無人機(jī)飛行航跡，地面工作人員據(jù)此監(jiān)視無人機(jī)工作情況;飛行任務(wù)完成后，下載航測數(shù)據(jù)?；玖鞒倘鐖D1.

圖1　無人機(jī)航測外業(yè)基本流程圖

（2）航線規(guī)劃

根據(jù)地面分辨率大小、相機(jī)CCD 大小、焦距，確定飛行航高;根據(jù)地形復(fù)雜程度，如高差大小，確定航向重疊度、旁向重疊度的大小，航向重疊度一般設(shè)置在80%以上，旁向重疊度設(shè)置在60%以上;根據(jù)飛機(jī)續(xù)航時間，劃分飛行架次。

（3）像控點(diǎn)布設(shè)與測量

像控點(diǎn)布設(shè)一般采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，布點(diǎn)個數(shù)根據(jù)測區(qū)地形調(diào)整。測量方式采用RTK測量。像片控制點(diǎn)中的平面控制點(diǎn)要求選在影像清晰的細(xì)小線狀地物點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)，高程控制點(diǎn)還要求高程起伏較小，選點(diǎn)困難地區(qū)，可考慮實(shí)地布設(shè)控制點(diǎn)。為了滿足大比例測圖需求，一般采用實(shí)地布設(shè)控制點(diǎn)。

1.2　內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

航飛數(shù)據(jù)獲取后，采用內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件如pix4Dmapper、ContextCapture等進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)處理，主要流程為：導(dǎo)入航飛的原始影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像預(yù)處理，修正影像畸變和相機(jī)檢校;自動進(jìn)行連接點(diǎn)提取和自由網(wǎng)平差，進(jìn)行影像相對定向;加入外業(yè)控制點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差、糾正，進(jìn)行絕對定向;生成正射影像圖（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、點(diǎn)云、實(shí)景三維模型等數(shù)據(jù);數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）則要借助立體測圖軟件、地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件以及外業(yè)調(diào)繪等進(jìn)一步生產(chǎn)?；玖鞒倘鐖D2.

圖2　無人機(jī)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程圖

2.1　工作區(qū)地理位置

工作區(qū)位于廣東省陽山縣南部太平鎮(zhèn)的牛鼻巖地區(qū)，面積約13km2.地貌上屬丘陵地帶，為典型的喀斯特地貌，地形上左右兩邊為少量的平坦耕地，其余為喀斯特峰林，山山相連，植被覆蓋茂密。

2.2　無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取

采用武漢縱橫天地公司SKYLAND系列無人機(jī)的DF150型號無人機(jī)平臺獲取數(shù)據(jù)。該款無人機(jī)為旗艦型電動固定翼無人機(jī)，具有長航時、超纖薄的特點(diǎn)，翼展2m，續(xù)航時間150min，作業(yè)效率高，爬升速率高，起飛方式多樣化，既可以采用彈射器起飛，也可以使用彈力繩起飛，采用傘降方式降落，最大限度保護(hù)相機(jī)，遙控器手動或半自動控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜區(qū)域精準(zhǔn)降落，抗風(fēng)力強(qiáng)，智能化操作，配備全畫幅3640萬像素索尼A7R相機(jī)，滿足高分辨率需求。

根據(jù)工作區(qū)范圍，實(shí)際飛行兩個架次。受地形影響，像控點(diǎn)只布設(shè)在左右兩邊平坦地區(qū)，共計20個，采用合眾思壯RTK進(jìn)行測量。

1∶2000DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)

3.1　數(shù)據(jù)處理

采用Bentley公司的ContextCapture軟件進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)處理，主要流程為：影像和POS導(dǎo)入→自動空三處理（相對定向）→相片刺點(diǎn)（絕對定向）→成果輸出。這里的成果為DOM、DSM以及實(shí)景三維模型。DLG的生產(chǎn)則要進(jìn)一步借助立體測圖軟件獲取，采用DP-Moderler測圖軟件進(jìn)行水系、居民地、交通等地理要素的采集，地理要素采集的詳細(xì)程度以滿足實(shí)際需求為原則。

等高線的生成通過ArcGIS軟件對DSM 去樓高、去樹高后得到DEM，然后生成初始等高線，最后對初始等高線進(jìn)行平滑、編輯、整理得到最終等高線，等高線的整飾按規(guī)范執(zhí)行。

3.2　成果數(shù)據(jù)

工作區(qū)成果數(shù)據(jù)主要有正射影像DOM 數(shù)據(jù)、實(shí)景三維模型、數(shù)字線劃圖DLG 數(shù)據(jù)，圖3為DOM 數(shù)據(jù)，圖4為實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，圖5為DLG數(shù)據(jù)。

圖3　DOM 數(shù)據(jù)

圖4　實(shí)景三維模型

圖5　DLG（局部）

3.2.1　影像分辨率

《CH/T　9008.3-2010基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000數(shù)字正射影像圖》規(guī)范中要求1∶2000數(shù)字正射影像圖影像地面分辨率應(yīng)優(yōu)于0.2m。根據(jù)計算，工作區(qū)生成的DOM分辨率為0.095m，滿足規(guī)范要求。

3.2.2　平面位置精度

《CH/Z　3003-2010 低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》中要求1∶2000數(shù)字線劃圖（B類）、數(shù)字正射影像圖（B類）的地物點(diǎn)對附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差平地、丘陵地不應(yīng)大于2.5m，山地、高山地不應(yīng)大于3.75m。隨機(jī)選取50個地物點(diǎn)，以工作區(qū)已有的高分辨率正射影像作為真實(shí)坐標(biāo)來源（該數(shù)據(jù)平面位置精度優(yōu)于0.5m），點(diǎn)位坐標(biāo)差值統(tǒng)計見表1.

依據(jù)《GB/T24356-2009測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，按同精度檢測，地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差計算公式為式（1）：

計算結(jié)果顯示DOM 數(shù)據(jù)平面位置中誤差為±2.13m，滿足規(guī)范要求。

3.2.3　高程精度

由于工作區(qū)除左右兩邊為平坦地區(qū)，其余地區(qū)植被茂密，難以通行，且GPS信號差，因此未能采集到足夠數(shù)量的高程控制點(diǎn)，高程采用無人機(jī)POS系統(tǒng)自動空三解算成果，精度未檢驗(yàn)。

結(jié)束語

本文采用無人機(jī)航測獲取影像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，快速獲取了工作區(qū)DOM、DLG和實(shí)景三維模型。經(jīng)精度檢驗(yàn)，成果數(shù)據(jù)影像分辨率、平面位置精度能滿足1∶2000測圖需求，而高程方面，由于工作區(qū)植被茂密、難以通行，高程采用無人機(jī)POS系統(tǒng)自動解算結(jié)果。通過數(shù)據(jù)生產(chǎn)的實(shí)踐，有如下結(jié)論和探討。

4.1　結(jié)論

（1）無人機(jī)航測優(yōu)勢明顯

無人機(jī)航測影像獲取快捷方便，無需專業(yè)航測設(shè)備，普通民用單反相機(jī)即可作為影像獲取的傳感器，操作手經(jīng)過短期培訓(xùn)學(xué)習(xí)即可操控整個系統(tǒng);成本相對低廉;飛行條件需求降低，不需要專門機(jī)場和跑道，可在普通公路上滑跑起降或采用彈射方式起飛和傘降方式降落;影像獲取周期短、時效性強(qiáng)，從準(zhǔn)備航飛到獲取影像周期短，影像獲取后可立即處理得到航測成果，時效性強(qiáng);實(shí)踐證明，成果能滿足大比例尺成圖要求。

（2）航測外業(yè)是數(shù)據(jù)來源，精度尤為重要，因此要做好精度控制航測外業(yè)數(shù)據(jù)精度受很多因素影響，為保證數(shù)據(jù)精度，實(shí)際飛行中要做好以下工作：攝影分區(qū)有無必要：對于高差起伏大、地物單一地區(qū)容易出現(xiàn)航攝漏洞，最好進(jìn)行攝影分區(qū)，使分區(qū)內(nèi)的高差滿足航飛要求;漏洞補(bǔ)攝：漏洞補(bǔ)攝時最好采用前一次航攝飛行的數(shù)碼相機(jī)，保證數(shù)據(jù)的一致性;航飛時間選擇：綜合考慮季節(jié)、天氣、太陽高度角、陰影倍數(shù)等，選擇合適的航飛時間;飛行質(zhì)量控制：設(shè)置相機(jī)對焦、曝光時間，考慮飛機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性，設(shè)置影像重疊度等，獲取的影像要清晰、層次豐富、色調(diào)柔和;像控點(diǎn)布設(shè)：重點(diǎn)考慮布點(diǎn)方式、布點(diǎn)個數(shù)、采集精度等。

4.2　探討

（1）如何更好地去除樹高

DSM 數(shù)據(jù)是包含地面附著物高程信息的數(shù)據(jù)，要想得到DEM，就要去除地面附著物如建筑物、植被等的高程信息。對于植被稀疏區(qū)，可以采用點(diǎn)云分類的方法來解決這一問題，通過將點(diǎn)云進(jìn)行分類得到地面點(diǎn)、建筑物、植被等類別，然后用地面點(diǎn)這一類別的點(diǎn)云構(gòu)建DEM。而本文的工作區(qū)植被茂密，裸露點(diǎn)極少，通過點(diǎn)云分類的方法無法得到足夠數(shù)量的地面點(diǎn)，因此不能構(gòu)建DEM。本文采用減去平均樹高的方法來去除樹高，考慮到樹高不一致，可以結(jié)合植被分類數(shù)據(jù)細(xì)化每一類的平均樹高，從而得到較為準(zhǔn)確的去除樹高的DEM。

（2）無人機(jī)POS系統(tǒng)自動解算的高程數(shù)據(jù)精度問題

由于工作區(qū)受地形影響，未采集到足夠數(shù)量的高程控制點(diǎn)，因此采用無人機(jī)POS系統(tǒng)自動解算的高程結(jié)果，這對于偏遠(yuǎn)的茂密森林植被區(qū)不失為一種快速獲取高程數(shù)據(jù)的方法。隨著無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展，通過集成高精度的RTK、IMU系統(tǒng)以及改進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法，無控制點(diǎn)測圖能滿足大比例尺測繪生產(chǎn)的精度需求，屆時將大大減少外業(yè)工作量，極大地提高無人機(jī)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的時間和效益，也將更好地促進(jìn)無人機(jī)航測的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：gt