張建霞

(閩江學(xué)院海洋學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

我國(guó)攝影測(cè)量技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代。當(dāng)前隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其相機(jī)的分辨率不斷提高，配以當(dāng)前較為普及的無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)，使得我國(guó)當(dāng)前的低空攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用與普及，其航測(cè)生產(chǎn)的效率得到進(jìn)一步提升[1]。本文基于單畫(huà)幅Phase高分辨率數(shù)字相機(jī)以及無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)，研究?jī)A斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。

1 數(shù)字相機(jī)的選擇

當(dāng)前用于無(wú)人機(jī)低空遙感的數(shù)字相機(jī)大多為索尼、佳能、尼康、賓得等品牌，在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)中，主要使用雙拼或五拼等方式進(jìn)行組合攝影。本研究所選的數(shù)字相機(jī)為Phase數(shù)字相機(jī)(圖1)，該相機(jī)屬于較高檔的民用工業(yè)級(jí)數(shù)字相機(jī)，像素多，分辨率高，具體的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 Phase數(shù)字相機(jī)Fig.1 Phase camera

表1 Phase數(shù)字相機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Fig.1 The chief parameters of Phase digital camera

2 無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)

無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)的選擇主要考慮了有效載荷、續(xù)航時(shí)間等因素，為了能夠搭載較重的工業(yè)級(jí)Phase數(shù)字相機(jī)，且具有較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，本次航攝采用了CW-20型垂直起降的固定翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)(圖2)，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 CW-20型無(wú)人機(jī)Fig.2 CW-20 UAV

表2 無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Fig.2 The chief parameters of UAV

3 數(shù)碼相機(jī)幾何檢校

數(shù)碼相機(jī)為非量測(cè)相機(jī)，為了消除數(shù)碼相機(jī)的固有誤差，須進(jìn)行幾何檢校。目前無(wú)人機(jī)測(cè)繪生產(chǎn)中的相機(jī)檢校大多采用室內(nèi)檢?；蚱聊缓?jiǎn)易檢校法，其檢校精度較低[2-4]。要實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)繪精度，須采用基于室外檢校場(chǎng)的間接攝影測(cè)量方法，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

對(duì)式(1)線性化后，得到的平差模型如下(以像點(diǎn)坐標(biāo)為觀測(cè)值)：

V=AXE+BXI+CXAD-L

(2)

式(2)中，XE表示影像外方位元素；XI表示影像內(nèi)方位元素；XAD表示附加參數(shù)，主要包括光學(xué)畸變改正項(xiàng)[5-7]。

室外檢校場(chǎng)設(shè)置在某建筑物立面上，在該立面上布設(shè)了300個(gè)高精度的標(biāo)志控制點(diǎn)，采用獨(dú)立坐標(biāo)系，其精度優(yōu)于3 mm。通過(guò)檢校得到的相機(jī)主要參數(shù)及其精度如表3所示。

表3 檢校主要參數(shù)及其精度Tab.3 Calibrated chief parameters and the precision

4 傾斜攝影測(cè)量實(shí)例

本次傾斜攝影測(cè)量的主要工作環(huán)節(jié)包括航攝設(shè)計(jì)、航空攝影、地面控制、影像數(shù)據(jù)攝影測(cè)量處理、3D建模、矢量數(shù)據(jù)采集等[8-9]，具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)流程圖Fig.3 Technique flow of oblique air survey

4.1 測(cè)區(qū)航攝設(shè)計(jì)

測(cè)區(qū)位于河南省某縣，南北長(zhǎng)約26 km，東西寬約20 km ，測(cè)區(qū)包含山地、平原、居民區(qū)等，地形較為豐富。航攝設(shè)計(jì)的GSD為4.0 cm，對(duì)應(yīng)的相對(duì)航高為385 m，航線進(jìn)行正反向井字形飛行設(shè)計(jì)(模擬45°傾斜四鏡頭相機(jī)的攝影方式)，設(shè)計(jì)的航向重疊度75%，旁向重疊度60%，設(shè)計(jì)的部分航線示例如圖4。

4.2 航攝影像獲取

利用所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行無(wú)人機(jī)搭載Phase數(shù)字相機(jī)的航空攝影，為了減少區(qū)域的地面控制工作量，航攝采用了DGPS輔助空中三角測(cè)量的方案。本次航攝共飛行1個(gè)架次，總航時(shí)181 min，獲取影像2 958張，影像數(shù)據(jù)共115 G，獲取的航空影像示例見(jiàn)圖5。

圖4 航線設(shè)計(jì)圖圖5 航空影像Fig.4 Designedair-linemapFig.5 Aerialimage

4.3 區(qū)域影像空三加密

利用Context Capture軟件進(jìn)行區(qū)域影像空三加密，在測(cè)區(qū)四角布設(shè)了4個(gè)角控制點(diǎn)，測(cè)區(qū)中央布設(shè)了1個(gè)中心控制點(diǎn)，共計(jì)5個(gè)控制點(diǎn)，并在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)了16個(gè)檢查點(diǎn)(圖6)，其中五角星形點(diǎn)為控制點(diǎn)，近圓形點(diǎn)為檢查點(diǎn)。經(jīng)過(guò)帶有DGPS的攝站坐標(biāo)輔助空三加密，其檢查點(diǎn)的平面和高程較差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，因其中有一點(diǎn)為粗差點(diǎn)，所以共統(tǒng)計(jì)了15個(gè)檢查點(diǎn)。由表4的較差統(tǒng)計(jì)，算得檢查點(diǎn)的平面中誤差為±4.4 cm，高程中誤差為±5.1 cm。

表4 空三加密檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)Tab.4 Check-point error statistics of triangulation m

圖6 點(diǎn)位分布圖圖7 區(qū)域三維模型Fig.6 PointdistributionmapFig.7 Area3Dmodel

4.4 三維建模與DLG采集

基于上述的空三加密成果，進(jìn)行區(qū)域影像3D實(shí)體建模及DLG數(shù)據(jù)采集，3D實(shí)體建模以及基于實(shí)體模型的平面DLG采集分別采用的是Smart 3D軟件和清華三維的EPS測(cè)圖軟件。經(jīng)過(guò)區(qū)域立體三維重建，得到的區(qū)域模型示例如圖7。經(jīng)過(guò)平面DLG采集，獲取測(cè)繪的DLG成果，部分示例成果如圖8。

圖8 基于立體模型的DLGFig.8 DLG based on stereo model

4.5 成果精度

為了驗(yàn)證3D模型及DLG成果的精度，隨機(jī)選取了12個(gè)檢查點(diǎn)。在DLG上采集平面坐標(biāo)，在三維模型上采集高程，經(jīng)過(guò)x，y，h采集，得到的較差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5較差統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到的平面中誤差為±5.5 cm，高程中誤差為±7.0 cm。

表5 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)Tab.5 Check-point error statistics m

4.6 小結(jié)

通過(guò)上述的傾斜攝影測(cè)量從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理，再到成果采集及精度驗(yàn)證可知：在航攝GSD為4 cm的情況下，空三加密平面精度為4.4 cm(1.1個(gè)GSD)，高程精度為5.1 cm(約1.3個(gè)GSD)；區(qū)域影像三維實(shí)體建模及DLG成果的平面精度為5.5 cm(約1.4個(gè)GSD)，高程精度為7.0 cm(約1.8個(gè)GSD)。精度滿(mǎn)足1∶500的地形圖測(cè)繪需求，也能夠滿(mǎn)足1∶1 000的地籍測(cè)量需求，并接近1∶500的地籍測(cè)量精度[9]。

5 結(jié)論與總結(jié)

通過(guò)本文研究可知：在單幅面Phase數(shù)字相機(jī)無(wú)人機(jī)航攝、相機(jī)進(jìn)行高精度幾何檢校、DGPS輔助空三加密、井字形航線設(shè)計(jì)、測(cè)區(qū)四角加中心控制點(diǎn)、GSD為4 cm的情況下，其傾斜攝影測(cè)量的成果幾何精度介于1～2個(gè)GSD，接近1∶500地籍測(cè)量的精度需求，對(duì)我國(guó)當(dāng)前的無(wú)人機(jī)航測(cè)生產(chǎn)有明顯的借鑒意義。

當(dāng)前的無(wú)人機(jī)傾斜攝影主要采用的是民用較小像幅的多相機(jī)組合航攝，其等效幅面幾乎均小于(遠(yuǎn)小于)工業(yè)級(jí)Phase數(shù)字相機(jī)的單機(jī)幅面，其多相機(jī)拼接為非單中心投影方式，采用的簡(jiǎn)易屏幕自檢校方法精度較低，因此，在傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用中，多以犧牲分辨率來(lái)獲取較高的幾何精度，如設(shè)計(jì)GSD為1～2 cm(航高50～90 m)，其對(duì)應(yīng)的成果精度為5～10 cm，這樣，大大降低了航攝效率，并增加了內(nèi)業(yè)處理的工作量和難度。

傾斜攝影測(cè)量作為經(jīng)典攝影測(cè)量的新技術(shù)手段，可以得到比傳統(tǒng)攝影測(cè)量更加準(zhǔn)確生動(dòng)的三維實(shí)體模型，具有更廣闊的應(yīng)用前景[10-11]。