基于無人機(jī)低空遙感技術(shù)解決城市基本地形圖測繪難題

1、引言

城市基本地形圖是進(jìn)行城市建設(shè)、規(guī)劃管理、國土資源管理等最基本的基礎(chǔ)地理信息資料。其在城市規(guī)劃、建設(shè)、交通、管理、社會(huì)與公眾服務(wù)以及可持續(xù)發(fā)展研究等眾多領(lǐng)域的作用日益重要，對基本地形圖的準(zhǔn)確性、現(xiàn)勢性和覆蓋率的要求也越來越高。

隨著數(shù)字化、智慧化城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市基本地形圖如何實(shí)現(xiàn)快速有效、實(shí)時(shí)更新，滿足城市規(guī)劃建設(shè)需要，是目前城市測繪工作亟待解決的難題之一。

無人機(jī)低空遙感技術(shù)是航空遙感領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展方向，具有低成本、方便快捷、靈活機(jī)動(dòng)、高效率、高分辨率等特點(diǎn)，并已逐步應(yīng)用于大比例尺地形圖航空攝影測量領(lǐng)域。憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢，可快速、高效獲取高精度、高分辨率的影像數(shù)據(jù)，成為傳統(tǒng)航空攝影測量的有效補(bǔ)充手段。

2、項(xiàng)目簡介

2. 1項(xiàng)目概況

為滿足廣州市規(guī)劃建設(shè)需要，實(shí)現(xiàn)廣州市基礎(chǔ)地形圖全覆蓋，并建立廣州市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，更好地為廣州市十三五規(guī)劃的實(shí)施提供基礎(chǔ)測繪保障，廣州市開展了2016 年度城市基本地形圖更新工作（ 1 ∶ 500數(shù)字化地形圖測量及數(shù)據(jù)入庫） ，項(xiàng)目測量面積121.4 km2。本項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)踐測區(qū)選擇為赤泥C 作業(yè)區(qū)，航測面積3 km2，如圖1 所示。

2. 2低空無人機(jī)平臺(tái)

本項(xiàng)目采用TrimbleUX5HP 無人機(jī)（ 如圖2所示） ，該系統(tǒng)具有操作簡便、全自動(dòng)、精度高等特性，系統(tǒng)集成高性能Trimble GNSS 接收機(jī)和a7R 全畫幅相機(jī)能夠采集高分辨率的影像數(shù)據(jù)。后處理動(dòng)態(tài)（ PPK）GNSS 技術(shù)可在絕對系統(tǒng)中建立非常準(zhǔn)確的圖像位置，有效減少地面控制點(diǎn)，獲得高精度成果數(shù)據(jù)。

3、工作流程

無人機(jī)航測制作大比例尺地形圖的主要工作流程如圖3 所示。

3. 1作業(yè)準(zhǔn)備工作

主要準(zhǔn)備工作包括： 資料準(zhǔn)備、設(shè)備準(zhǔn)備、相機(jī)檢測等。

（ 1）收集測區(qū)基礎(chǔ)資料，如基礎(chǔ)地形圖、衛(wèi)星影像資料、控制成果等，了解測區(qū)地理位置及情況。

（ 2）相機(jī)檢校，獲取準(zhǔn)確的相機(jī)內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。

（ 3）飛行平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢校與常規(guī)檢查確保航攝平臺(tái)各設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)符合規(guī)范要求。

（ 4）現(xiàn)場踏勘選擇合適的起降場地。

3. 2航攝作業(yè)

3.2.1航線設(shè)計(jì)

UX5HP飛行航線設(shè)計(jì)利用Aerial Imaging 軟件完成; 為滿足測圖精度要求，提高飛行效率，本次航線設(shè)計(jì)采用索尼a7R II 相機(jī)35 mm鏡頭，航向重疊度設(shè)計(jì)為80%，旁向重疊度設(shè)計(jì)為80%，地面分辨率設(shè)計(jì)為5 cm，航高設(shè)計(jì)375 m，如圖4 所示。

3.2.2控制點(diǎn)布設(shè)及測量

本項(xiàng)目航測采用地面架設(shè)GNSS 基準(zhǔn)站，利用PPK 后處理動(dòng)態(tài)差分技術(shù)提高定位解算精度?？刂泣c(diǎn)布設(shè)按照相關(guān)規(guī)范要求，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)地面控制點(diǎn)，利用廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)（ GZCORS） 測量像控制點(diǎn)坐標(biāo)，通過廣州市似大地水準(zhǔn)面精化成果轉(zhuǎn)換為廣州市坐標(biāo)系坐標(biāo)，共布設(shè)及測量控制點(diǎn)40 個(gè)，如圖5 所示。

3.2.3影像獲取

影像獲取主要包括起飛前檢查、無人機(jī)航飛、現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理、檢查等。

（ 1）起飛前檢查

為確保無人機(jī)航攝安全，飛機(jī)通電后需要進(jìn)行自檢及嚴(yán)格的安全檢查，具體如下：

gBox 狀態(tài)檢查，線纜連接檢查、GNSS 天線視野開闊、gBox 正常啟動(dòng)、鎖定衛(wèi)星檢查。

相機(jī)檢查，SD 檢查、相機(jī)設(shè)置檢查、設(shè)置快門速度、清潔相機(jī)鏡頭和濾鏡、相機(jī)熱插拔線路連接、尼龍扣帶固定、相機(jī)觸發(fā)器檢查、快門反饋檢查。

跟蹤器檢查，確保跟蹤器打開、接收器接收信號檢查。

升降翼檢查，外弦升降翼與內(nèi)弦升降翼水平檢查、升降翼反應(yīng)檢查。

發(fā)射架檢查，發(fā)射架裝配、安全插銷插入發(fā)射架、彈力繩力度檢查。

空速反應(yīng)檢查，確?？账俜磻?yīng)正常。

飛機(jī)定位檢查，飛機(jī)裝配到發(fā)射架上，定位螺旋槳位置、飛機(jī)位置正確。完成起飛前檢查后，拆除安全插銷，啟用無人機(jī)系統(tǒng)，等待系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，即可發(fā)射無人機(jī)。

（ 2）無人機(jī)航飛

無人機(jī)起飛后，按照規(guī)劃路線升空進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，地面站開始對飛機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，技術(shù)員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注無人機(jī)的狀態(tài)、風(fēng)速、飛機(jī)的高度及速度等指標(biāo)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立刻做出判斷和處理，如正常即按預(yù)定線路采集完成后返航降落。項(xiàng)目共航飛9 架次，采集影像數(shù)據(jù)2 600張。

（ 3）數(shù)據(jù)整理及檢查

現(xiàn)場對航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，核查拍攝照片數(shù)量與飛行軌跡參數(shù)是否一致，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象; 檢查照片質(zhì)量，是否有模糊不清等情況; 現(xiàn)場對航飛成果質(zhì)量的進(jìn)行全面、快速檢查、計(jì)算航向重疊度、旁向重疊度、生成檢查結(jié)果報(bào)表等。檢查完成后如存在質(zhì)量問題則需重新補(bǔ)攝飛行，若無質(zhì)量問題，則本次航攝完成，如圖6 所示。

3. 3數(shù)據(jù)處理與DOM 制作

3.3.1空三加密

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括原片檢查、POS 數(shù)據(jù)整理、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)整理等。預(yù)處理完成后利用INPHO 軟件進(jìn)行空三加密處理?？杖用苓^程中，在立體像對的點(diǎn)位上選刺控制點(diǎn)，通過控制點(diǎn)點(diǎn)位調(diào)整及平差優(yōu)化，最終從40 個(gè)控制點(diǎn)位中選擇了28 個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，其余點(diǎn)位作為檢查點(diǎn)，同時(shí)為了增加模型連接的強(qiáng)度，避免由于某一個(gè)控制點(diǎn)的誤差過大引發(fā)全局性的負(fù)面影像，在立體像片上增加一些模型連接點(diǎn)tie point 參與空三平差。經(jīng)過反復(fù)的點(diǎn)位調(diào)整、優(yōu)化，最終達(dá)到平面0.07 m，高程0.06 m的絕對定向精度，如圖7 所示。

3.3.2 DOM制作

根據(jù)上述空三加密的成果，利用DEM 數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正和影像重采樣，生成單片的數(shù)字正射影像DOM，由于無人機(jī)飛行高度較低，高層地物同名點(diǎn)視差較大，按照相機(jī)中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，往往會(huì)出現(xiàn)接縫和建筑物邊緣扭曲的現(xiàn)象，所以，需要對正射影像的鑲嵌線進(jìn)行人工編輯，鑲嵌線的選取及

修改盡可能避免穿過大型建筑物，選擇紋理不豐富的位置，遠(yuǎn)離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實(shí)體的邊緣等。同時(shí)，對于不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進(jìn)行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致，如圖8 所示。

3.3.3 DLG立體采編

本項(xiàng)目1 ∶ 500DLG 制作通過航天遠(yuǎn)景MapMatrix平臺(tái)與清華山維EPS 平臺(tái)的定制與對接，利用EPS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，使立體測圖與得到“圖屬合一”的GIS 數(shù)據(jù)的工作目的同時(shí)達(dá)成，相比國內(nèi)目前絕大多數(shù)的DLG 生產(chǎn)流程更為高效、先進(jìn)。

（ 1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，準(zhǔn)備INPHO 空三平差工程文件及無人機(jī)原始影像數(shù)據(jù)，將必要的文件放到同一的文件夾的同級目錄下，如影像ID、外方位元素文件，加密點(diǎn)文件，像點(diǎn)文件等，保持文件前綴名稱一致。

（ 2）新建工程，打開EPS 基礎(chǔ)測繪平臺(tái)，選擇航測采編模塊，建立廣州市基礎(chǔ)地理模板-500 工程文件。

（ 3）模型恢復(fù)，選擇立體測圖菜單，加載立體像對，恢復(fù)立體模型。

（ 4）立體采編，掛接外接輸入設(shè)備，設(shè)置工作區(qū)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

按照立體模型實(shí)際能觀測到的原則進(jìn)行全要素采集，盡可能對可觀測到的地物按照“內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性”的原則進(jìn)行數(shù)字化跟蹤，外業(yè)調(diào)繪修編等工作，共編制1 ∶ 500DLG 成果216 幅，如圖9 所示。

4數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

4. 1建筑物投影差改正

本項(xiàng)目通過前期的研究成果，采用一種聯(lián)合影像方位元素和物方三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，利用投影中心、DSM、DEM 上形成的同名點(diǎn)共線關(guān)系，由DSM 物方點(diǎn)利用外方位元素計(jì)算出的DEM 像方點(diǎn)之間的高差所構(gòu)造出的數(shù)字高程模型，形成跟隨影像點(diǎn)位同步變化的投影高差模型，此處稱它為影像同步變化的投影數(shù)字差模型（ image elevation synchronous model， IESM） ，通過該模型采用共線方程解算房屋屋角的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了建筑物的半自動(dòng)投影差改正。由于測區(qū)建筑主要以低層居民房為主，利用投影差改正模型取得良好效果，如圖10 所示。

4. 2 EPS2012集成二次開發(fā)

本項(xiàng)目以廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測繪平臺(tái)EPS2012 為基礎(chǔ)，采用VC++6. 0 開發(fā)平臺(tái)及VBScript 腳本語言進(jìn)行功能專業(yè)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序?qū)右约叭謹(jǐn)?shù)學(xué)函數(shù)庫與控件庫的動(dòng)態(tài)鏈接SDL（ Sunway dynamic linked library） ，快速搭建了基于EPS2012航測采編平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載或輸入命令加載，如圖11 所示。新開發(fā)的EPS 測圖功能集成模塊化管理，通過菜單工具條加載功能，延續(xù)了EPS 原有功能界面與操作習(xí)慣。同時(shí)對數(shù)據(jù)模板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，實(shí)現(xiàn)1 ∶ 500～1 ∶ 2000數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在制圖顯示過程中強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、制圖輸出、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)應(yīng)用四者一致性，有效保證數(shù)據(jù)無異化。

5、項(xiàng)目成果與精度分析

基于無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)，經(jīng)上述流程化的處理，得到測區(qū)DOM、DEM、DLG 等，為了保證成果精度，對本次航攝測繪的地形圖成果精度進(jìn)行外業(yè)檢測，采用GZCORS_RTK 快速獲取外業(yè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，整個(gè)測區(qū)內(nèi)施測平面坐標(biāo)及高程檢測點(diǎn)122 個(gè)、距離檢測點(diǎn)83個(gè)，利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算出各個(gè)檢查點(diǎn)的中誤差，依據(jù)計(jì)算結(jié)果可得（ 如表1 所示） ，本次航攝繪制的1 ∶ 500地形圖精度滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求?？勺鳛榛A(chǔ)測繪成果提供使用。

6、結(jié)語

本文無人機(jī)航攝測繪大比例尺地形圖生產(chǎn)應(yīng)用，基于地形結(jié)構(gòu)較簡單、地勢比較平坦地區(qū)，經(jīng)實(shí)地檢測，成果滿足大比例尺地形圖精度要求，作業(yè)效率也較傳統(tǒng)測量模式有大幅提高，有效提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，加快了內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)成產(chǎn)的一體化作業(yè)流程。滿足了項(xiàng)目建設(shè)快速完成測繪任務(wù)的要求，為大比例尺地形圖快速測繪提供了新的技術(shù)手段。

隨著數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)的全面發(fā)展，城市規(guī)劃及建設(shè)對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)，憑借低空作業(yè)、機(jī)動(dòng)靈活、高分辨率、高精度、高效率、低成本等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、低空航空攝影、應(yīng)急測繪、環(huán)保監(jiān)測、工程勘察等領(lǐng)域。隨著無人機(jī)航攝技術(shù)的不斷成熟，續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、小像幅等缺點(diǎn)也將逐步得到改善，使其有更廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢。