陳斯愷

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福州，350011)

福建的地理特點(diǎn)是“依山傍?！保绕涫侵形鞑看髟粕矫}西側(cè)更是接近90%為山地丘陵地帶，高差較大，森林覆蓋率達(dá)65.95%，采用常規(guī)性全野外數(shù)字化地形圖測(cè)量方式或平板儀測(cè)量方式獲取地形圖，成本高昂，且成圖效率很低。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于地形圖需求的不斷提升，低空無(wú)人機(jī)航攝基于其成本和效率2個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸在丘陵地區(qū)地形圖的繪制中得到廣泛的重視，并開(kāi)始有所應(yīng)用，但丘陵地區(qū)往往地形十分復(fù)雜，無(wú)人機(jī)航攝成圖的精度還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。因此，筆者主要對(duì)無(wú)人機(jī)航攝成圖技術(shù)應(yīng)用于丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖的精度進(jìn)行了分析探討。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)的組成

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成，硬件平臺(tái)系統(tǒng)及相配套的軟件系統(tǒng)。其中硬件平臺(tái)系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成，分別為通信系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)、拍攝任務(wù)系統(tǒng)及地面站[1]。

1.2 系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量相比，無(wú)人機(jī)航空攝影系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：①無(wú)人機(jī)平臺(tái)飛行姿態(tài)不穩(wěn)、圖像小、重疊大，一般采用低成本、重量輕的非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)；②無(wú)人機(jī)航空攝影系統(tǒng)所使用的無(wú)人航拍相機(jī)的像幅較小，通常為了最大限度地利用圖像的面積而設(shè)置為最大像幅模式。因?yàn)楹脚恼掌拇笮⒅苯佑绊憯z影測(cè)量中基線的長(zhǎng)度。當(dāng)無(wú)人機(jī)用于航空攝影時(shí)，基線較短，而基線高度比相對(duì)較小，想要提高計(jì)算精度就變得更加復(fù)雜；③小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的特性決定了它很容易受到低空氣流的干擾。無(wú)人機(jī)圖像的重疊程度要比傳統(tǒng)航空攝影的重疊程度大得多，使用無(wú)人機(jī)航空攝影時(shí)航向重疊率通常設(shè)置為75%～85%，旁向重疊率設(shè)置為35%～55%，以保證航空照片的質(zhì)量和后續(xù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 無(wú)人機(jī)航攝成圖的精度控制要點(diǎn)

2.1 飛行姿態(tài)

無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)對(duì)成圖精度有直接影響，因此，要做好以下4個(gè)方面的具體工作：①正確安裝航攝儀，并保證和機(jī)身之間的水平；②正確安裝自駕儀，并在使用過(guò)程中嚴(yán)格依照規(guī)定進(jìn)行維護(hù)；③當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航線拍攝之前，要反復(fù)就飛機(jī)飛行中立位進(jìn)行捕捉，直至達(dá)到最佳飛行狀態(tài)為止；④在設(shè)計(jì)航線時(shí)，應(yīng)將風(fēng)向的因素考慮其中，盡可能保證飛行作業(yè)時(shí)風(fēng)向和航線設(shè)計(jì)方向一致[2]。

2.2 航線設(shè)計(jì)

對(duì)于無(wú)人機(jī)航攝成圖精度，航線設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵性工作之一，在規(guī)劃航線的過(guò)程中，要將測(cè)區(qū)的地形特點(diǎn)、作業(yè)范圍、精度要求以及相機(jī)參數(shù)等因素考慮其中，保證設(shè)計(jì)航線的最優(yōu)化。主要具體檢查3個(gè)方面的內(nèi)容：①航線設(shè)計(jì)區(qū)域覆蓋完整性，并保證分區(qū)內(nèi)地形的高差不能大于相對(duì)航高的1/6；②規(guī)劃航線走向的合理性，避免像主點(diǎn)落水以及側(cè)風(fēng)航行的問(wèn)題；③存在自然因素以及飛行平臺(tái)造成的不穩(wěn)定影響，在拍照間距和航線間距的設(shè)定上應(yīng)適當(dāng)小于理論值[3]。

2.3 鏡頭檢校

無(wú)人機(jī)航拍所獲取的影像數(shù)據(jù)，在其邊緣處多少都會(huì)存在一些畸變，要通過(guò)參數(shù)檢校的方式對(duì)存在的畸變進(jìn)行糾正，以保證后期影像的精準(zhǔn)度。為確保檢校的精準(zhǔn)度，必須定期按照規(guī)定在正規(guī)檢校單位進(jìn)行檢校，在使用過(guò)程中如果出現(xiàn)強(qiáng)烈震動(dòng)或儀器維修后也要進(jìn)行檢校，確保主距、主點(diǎn)坐標(biāo)以及畸變差改正后的殘余畸變符合規(guī)范要求[4]。

2.4 像控點(diǎn)布設(shè)方案

因?yàn)闊o(wú)人機(jī)所獲取影像航片的重疊度很大，在像片總數(shù)和航線數(shù)上都比常規(guī)航片要多出很多，繼而也就會(huì)導(dǎo)致外業(yè)量的增加，要合理進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)以減少工作量，繼而提高測(cè)繪成圖的精度。具體對(duì)以下3個(gè)方面采取措施：①將地形條件作為像控布點(diǎn)的基本參考因素，提升對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的控制力度；②在像控點(diǎn)的選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇地物特征點(diǎn)處；③像控點(diǎn)設(shè)定時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)定在影像的六度重疊區(qū)域[5]。

3 無(wú)人機(jī)航攝在丘陵地區(qū)地形圖成圖中的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)傳統(tǒng)丘陵地區(qū)地形圖的成圖方式為全野外數(shù)字化地形圖測(cè)量方式或平板儀測(cè)量方式的成圖模式，其在成圖的精度和效率上都較低。無(wú)人機(jī)航攝是近幾年才逐漸發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉和軍事領(lǐng)域。隨著無(wú)人機(jī)整體技術(shù)的不斷成熟，鑒于其高精度的拍照能力，在我國(guó)地形圖成圖領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)始得到廣泛重視，尤其是在山區(qū)、丘陵人工成圖難度很大的地區(qū)更是開(kāi)始得到嘗試性的使用。

以我國(guó)貴州、云南為代表的西南山區(qū)，福建、浙江等地為代表的東部丘陵地區(qū)開(kāi)始有一些地勘單位嘗試性地使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空拍攝繼而加工成地形圖。但從整體的應(yīng)用現(xiàn)狀上觀察，還屬于前期的嘗試性階段，有必要拓寬應(yīng)用，并加大研究探索。

4 在丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖與精度控制的實(shí)例研究

為了進(jìn)一步探究無(wú)人機(jī)航攝在丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖應(yīng)用中的精度情況，筆者選擇大田縣桃源鎮(zhèn)前厝村1∶2 000地質(zhì)災(zāi)害整治地形圖繪制項(xiàng)目為例加以說(shuō)明。

該地區(qū)最低海拔480 m，最高海拔630 m，屬于典型的丘陵地區(qū)，地形較為復(fù)雜，植被以耕地和樹(shù)林為主。項(xiàng)目區(qū)的面積達(dá)到11 km2，測(cè)量區(qū)交通不便，植被十分茂盛，GPS衛(wèi)星信號(hào)和福建省CORS信號(hào)很差，采用常規(guī)的測(cè)量方式效率低，故而選擇無(wú)人機(jī)低空航攝的方式完成該區(qū)的測(cè)繪工作[6]。

4.1 像控測(cè)量

測(cè)區(qū)植被覆蓋率很高，項(xiàng)目組決定先選擇布設(shè)像控點(diǎn)然后再進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)。像控點(diǎn)的選擇：地形相對(duì)平坦、無(wú)遮擋物和障礙物、距離電磁輻射源較遠(yuǎn)、點(diǎn)位易于制作為像控標(biāo)志、交通較為便利、點(diǎn)位布設(shè)于影像的6度重疊區(qū)域內(nèi)。以石灰作為像控點(diǎn)的標(biāo)志點(diǎn)，呈十字形，長(zhǎng)20 cm，寬15 cm，并采用GPS-RTK方式對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)可正常使用GPS時(shí)，在固定解狀態(tài)下完成測(cè)量。每個(gè)像控點(diǎn)都測(cè)量2次，取2次均值為測(cè)量值。在該測(cè)區(qū)一共布置70個(gè)像控點(diǎn)，23個(gè)檢查點(diǎn)。

4.2 低空航拍

鏡頭采用索尼A7MII和35 mm的定焦鏡頭，鏡像幅面7 952 p×5 304 p，相機(jī)分辨率4 200萬(wàn)像素，像元大小為4.5 μm。因?yàn)樵跍y(cè)區(qū)其相對(duì)高差較之航高的1/3更高，在該次測(cè)量中設(shè)定2個(gè)基準(zhǔn)面，分別為500 m和600 m，設(shè)計(jì)2個(gè)架次航線，航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線一條基線，航線按常規(guī)方法敷設(shè)，攝區(qū)邊界實(shí)際覆蓋不少于像幅的30%，相對(duì)航高600 m，同一航線上相鄰像片的航高差5～30 m；最大航高與最小航高之差低于50 m，航攝分區(qū)內(nèi)實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高之差低于50 m，地面分辨率優(yōu)于0.067 m。在拍攝上一共獲得1 050張?jiān)加跋瘛?/p>

在完成航攝后，對(duì)影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查(表1)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)所有影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量都滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[7]。

表1 影像質(zhì)量和飛行質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

4.3 數(shù)據(jù)處理

該項(xiàng)目選擇德國(guó)INPHO公司的INPHO MATCH-AT軟件對(duì)生產(chǎn)的像片進(jìn)行空三加密處理，選擇清華山維的EPS軟件和適普公司的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量Vir-tuoZo完成立體采集和成圖的編輯[8]。具體處理流程如(圖1)所示。

圖1 無(wú)人機(jī)航拍影像流程圖Fig.1 UAV aerial image flow chart

項(xiàng)目區(qū)依據(jù)2個(gè)架次航拍原始數(shù)據(jù)創(chuàng)建qiancuo1和qiancuo2工程，每個(gè)工程的數(shù)據(jù)均單獨(dú)進(jìn)行處理。在工程的建立過(guò)程中，需要就航拍類型、地面高、航拍等工程參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)還要就像素大小、像片寬高等相機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以及導(dǎo)入GNSS/IMU數(shù)據(jù)，此過(guò)程中還引入了控制點(diǎn)的設(shè)置[9]。首先對(duì)通過(guò)外業(yè)獲得的原始影像進(jìn)行畸變校正，該過(guò)程以相機(jī)檢校文件為基礎(chǔ)，通過(guò)專門(mén)的矯正軟件完成畸變的消除工作。完成畸變消除后，將像片數(shù)據(jù)導(dǎo)入INPHO MATCH-AT軟件中，然后對(duì)導(dǎo)入的像片進(jìn)行航帶定義金字塔等預(yù)處理，再輸入航空攝影測(cè)量控制點(diǎn)成果，最后進(jìn)行空三測(cè)量，獲取自動(dòng)連接點(diǎn)，即同名像點(diǎn)。

INPHO MATCH-AT同名點(diǎn)通過(guò)全自動(dòng)匹配的方式完成，在進(jìn)行匹配前將航帶和所對(duì)應(yīng)的像片對(duì)齊，在設(shè)置相應(yīng)的匹配參數(shù)后，即可以進(jìn)行自動(dòng)化的匹配。完成自動(dòng)匹配后，還要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)、錯(cuò)誤點(diǎn)檢核工作。此處可通過(guò)交互編輯手工挑點(diǎn)的方式，將其中的錯(cuò)誤點(diǎn)篩選排除，就匹配點(diǎn)不足的區(qū)域進(jìn)行人工改善[10]。在完成交互編輯，保證測(cè)區(qū)像點(diǎn)點(diǎn)位誤差在0.006 4 mm內(nèi)，就空三加密結(jié)果的精度進(jìn)行輸出(表2)。

表2 項(xiàng)目測(cè)區(qū)檢測(cè)點(diǎn)和基本定向點(diǎn)精度

在完成絕對(duì)定向后，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求[11]，區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果檢查點(diǎn)誤差、基本定向點(diǎn)殘差不能大于表3所示。

表3 檢查點(diǎn)誤差、基本定向點(diǎn)殘差最大值標(biāo)準(zhǔn)

從表2和表3所顯示的數(shù)據(jù)可知，在項(xiàng)目區(qū)無(wú)人機(jī)航拍影像數(shù)據(jù)中所涉及到的檢查點(diǎn)、基本定向點(diǎn)都比表2中的最大值標(biāo)準(zhǔn)要小，因此在定向精度上符合1∶2 000數(shù)字線劃圖(DLG)及數(shù)字正射影像圖(DOM)的精度要求。

通過(guò)以上幾個(gè)步驟的數(shù)據(jù)處理，最后可輸出DOM產(chǎn)品，將輸出產(chǎn)品通過(guò)影像拉花編輯、拼接線編輯整飾后，可使圖面的色彩等各個(gè)方面更加完美。采用先內(nèi)后外的方式完成DLG的作業(yè)，然后再將內(nèi)業(yè)所初步生成的DLG成果和DOM進(jìn)行疊合，將其覆蓋到DOM之上，制作調(diào)繪片，提供外業(yè)的實(shí)地調(diào)繪工作。在外業(yè)部分，就內(nèi)業(yè)所獲得的成果到實(shí)地進(jìn)行進(jìn)一步的校對(duì)，并對(duì)存在誤差的部分進(jìn)行更正，最后在整體上就外業(yè)的成果進(jìn)行編輯整飾，完成最終的無(wú)人機(jī)航攝下的1∶2 000丘陵地區(qū)地形圖。

4.4 精度分析

在最終完成丘陵地區(qū)地形圖的精度檢測(cè)上，采用全站儀和GPS-RTK進(jìn)行實(shí)地打點(diǎn)檢測(cè)。其高程精度的檢查點(diǎn)主要設(shè)定在水溝溝底、田坎交叉處、道路交叉點(diǎn)等部分，平面精度檢查點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)當(dāng)選擇具備明顯特征的地物點(diǎn)。在檢查點(diǎn)的選擇上，整體上必須保障其代表性，并保持整體分布均勻性。在該項(xiàng)目的精度檢測(cè)上，一共設(shè)定了110個(gè)高程精度檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量，最后獲得的中誤差為39 cm；平面檢查點(diǎn)一共設(shè)定210個(gè)，最后獲得檢測(cè)中誤差為42 cm，通過(guò)比對(duì)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]中對(duì)1∶2 000地形圖的誤差要求，平面高程精度均符合規(guī)范要求。通過(guò)精度檢測(cè)分析，可知基于無(wú)人機(jī)航攝的丘陵地區(qū)1∶2 000地形圖成圖精度在高程精度以及平面精度上都符合大比例尺地形圖測(cè)繪的精度要求，值得在我國(guó)丘陵地區(qū)地形圖的測(cè)繪中推廣使用。

5 結(jié)論

無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)過(guò)程中的飛行姿態(tài)、航線規(guī)范、鏡頭檢校、自動(dòng)空三與模型創(chuàng)建、像控點(diǎn)布設(shè)、立體采集等是影響成圖精度的主要因素。通過(guò)該項(xiàng)目的研究成果證明：科學(xué)地控制無(wú)人機(jī)航攝生產(chǎn)過(guò)程中的精度因子，可以提高無(wú)人機(jī)丘陵地區(qū)生產(chǎn)大比例尺數(shù)字地形圖的經(jīng)濟(jì)效益和成圖精度，并且成圖精度滿足相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目的研究成果可在無(wú)人機(jī)航攝領(lǐng)域?yàn)楹罄m(xù)的研究人員提供一些可參考之處，具備一定的理論意義。