無人機航空攝影測量技術在大比例尺數據獲取中應用

劉建軍，宋利奎，劉亞青，姚姝娟，昂格魯瑪

（內蒙古自治區測繪地理信息中心 內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

隨著無人機測繪航空攝影測量技術的不斷發展，無人機在數據獲取方面應用越來越廣泛，無人機測繪航空攝影測量系統一般由地面控制系統、傳感器系統、數據處理系統、飛行平臺四部分組成［1］。 數據處理系統包括空三加密、點云生成、正射糾正、立體測圖等。 具有精度高、機動靈活、成本低等優點，是傳統測繪航空攝影測量強有力的補充。

1 無人機航空攝影測量數據采集

1.1 技術準備

收集資料，如地形圖、控制點、正射影像等數據資料，分析測區的地形地貌情況，以及無人機盤旋半徑內的建筑情況，制定實施方案，完成攝區目視觀察工作，確保場地起降條件，注意查看測區是否有飛行限制，即禁飛區或者限高區等。

1.2 航線設計

航線設計是根據航攝區域地形地貌復雜程度、航攝相機的參數和國家航攝標準執行要求，包括地面分辨率、重疊度、飛行高度等條件，進行航攝航線設計。

（1）攝影基準面

攝影基準面并不是平均海平面，而是根據測區的地形地貌計算得出的一個平均高程面，由攝區最低點和最高點平均高程確定，其公式如式（1）所示。

式（1）中h低、h高分別是攝區最低點和最高點的平均高程。

（2）像片重疊度

像片重疊度是指同一航向上或者相鄰航線上相鄰兩張像片的重疊程度，分別對應為航向重疊度和旁向重疊度。 航向重疊度一般為60%～80%，旁向重疊度一般為15%～60%。 測區地形起伏較大時，還需考慮地形最高點的重疊度是否滿足要求，因此在航線設計時地形起伏的影響需要考慮在內。 具體公式如式（2）所示。

式（2）中PX、PY分別為攝影基準面上的航向重疊度和旁向重疊度；Δh是相對攝影基準面的高度差；H是相對航高。

（3）地面分辨率

地面分辨率是像片上的一個像素所代表的實際地面距離。 根據相機的參數，地面分辨率與航高有著相互對應的關系。 一般航飛的實際地面分辨率要高于設計的要求，保證在測區最低點依然能夠達到要求。

（4）航高計算

航高是指飛機相對于地面的垂直高度，分為相對航高和絕對航高。 絕對航高是距離平均海平面的鉛錘高度，相對航高則是距離攝影基準面的鉛錘高度。 在無人機相機焦距、像元大小，以及影像的地面分辨率確定的情況下，航高即可確定下來，其公式如式（3）所示。

式（3）中H為相對航高，HO為絕對航高；GSD為地面分辨率，f為相機焦距；a為像元大小。

1.3 設備檢查和飛行調試

飛行前對航攝系統進行飛行測試，啟動地面控制軟件，數據傳輸正常，荷載設備正常，無人機狀態正常，調試后等待起飛。

1.4 飛行作業

以垂直起降固定翼無人機為參考，對設備進行調試，確保符合運行后，進行航線數據上傳、起飛狀態、飛行控制、降落檢查、數據檢查等。 起飛前觀察周圍情況，在無人機盤半徑內是否有影響飛行的遮擋物、天氣以及風向，作業中無人機要迎風起飛。

1.5 數據質量檢查與處理

獲取影像數據后，進行影像質量檢查，剔除不合格的影像數據，同時保證影像數據覆蓋無漏洞。 然后對影像數據進行預處理，如去云霧、格式轉換、圖像增強等操作，提高影像的清晰度和對比度。 再利用無人機的銷售終端（point of sale，POS）數據和像控點資料，進行空三加密。

2 無人機測繪航空攝影測量像片控制點布測

像片控制點測量是空三的基礎，合理的像控點布設位置，既方便外業實地刺點、數據采集觀測，也是空三加密的精度保障。

2.1 像控點選取要求

（1）像控點布設在影像重疊區域內，通常在5、6 片重疊范圍內。

（2）像控點布設位置要遠離像片邊緣，同時要布設在旁向重疊度的中線附近，離開方位線大于3 cm 時，如果旁向重疊度過小，則需要分別布點。

（3）像控點的點位在影像上必須清晰可見，易于判讀刺點和立體測量。 高程控制點應選擇相對較平或高程變化較小的區域。

2.2 像控點布設方法

像控點布設方法參照低空航空攝影測量區域網布設的要求執行。

（1）根據測區地形地貌特征、成圖比例尺、地面分辨率、無人機航拍攝區劃分等因素劃分區域網，區域網盡量為矩形和正方形。 并要注意相鄰區域網要有足夠的共用部分，相鄰的兩個區域網在航向至少要有四條重復基線，在旁向至少要有兩條重復航線。

（2）為滿足區域網間像控點共用，應選取像控點在區域網間的影像公共部分。 布設時要保證測區外圍像控點數量足夠多，以便控制住整個區域網的外圍，同時要在測區內部布設位置合理的像控點以及檢查點，確保區域整體的精度符合要求。

2.3 像控點數據采集

像控點的量測一般采用載波相位差分技術（real time kinematic，RTK）方法，連接基準站或者網絡通信技術（cross?origin resource sharing，CORS）站進行實時差分，要求每個像控點測量3 次，每一次采集30 個歷元，采樣間隔1 s，3 次數據成果間的水平較差不超過3 cm，高程較差不超過5 cm，最后取3 組數據的平均值作為最終結果。

2.4 拍照繪制像控點略圖

像控點刺點采集時制作點之記，遠距離拍攝一張像控點位置的遠景照片（大概15 ～20 m 的距離），記錄像控點的概略刺點位置，再拍攝一張像控點位置的近景照片（大概相隔4 m），觀察周圍地貌環境情況制作像控點點位略圖。

3 鏡頭畸變校正及外方位元素處理

相機的成像過程是空間坐標轉換到相機坐標，再投影到成像平面，最后將成像平面數據轉換成圖像像素坐標。但由于透鏡制造精度及組裝工藝的偏差會引起畸變導致原始圖像失真。

3.1 鏡頭畸變校正

由于量測型相機價格昂貴、重量較大，航攝無人機搭載的多是非量測型相機，而非量測相機內方位元素不夠穩定、透鏡組的畸變差大等缺陷，會使得航攝影像的畸變較大，影像匹配精度也變得較低［2］。

鏡頭畸變主要包括徑向畸變和切向畸變，徑向畸變主要是由透鏡導致的畸變，而切向畸變主要是安裝偏差引起的。 無人機搭載的相機為定焦鏡頭，焦距固定，定焦鏡頭焦距越長，畸變越??；焦距越短，畸變就越大。 徑向畸變主要包括桶形畸變和枕形畸變，如圖1、圖2 所示。

圖1 桶形畸變

圖2 枕型畸變

無人機搭載的相機為定焦鏡頭，所以鏡頭畸變導致的航測影像理論值和實際值之差為系統誤差，鏡頭畸變改正一般采用徑向復合畸變加薄棱鏡畸變模型（布朗模型）進行改正。

鏡頭畸變校正方法：建立一個校驗場，布設校正標志點，并提取像片上對應的像點坐標，帶入共線方程，將標志點坐標經過透視變換反算出相應標志點在像片上的理想坐標。

3.2 外方位元素處理

無人機航攝獲得的影像數據外方位元素一般包含POS 數據或衛星定位輔助數據，一般采用切比雪夫四次多項式對外方位元素進行處理，優化無人機在飛行中的軌跡系統偏差、衛星導航定位與相機投影中心的偏心矢量以及慣性測量單元和相機坐標軸之間的視準軸偏心角。

4 空中三角測量

空中三角測量也叫空三加密［3］，是利用少量的野外控制點，按照最小二乘法原理，對控制點進行平差和加密，進而建立影像之間的關系，獲得影像的內外方位元素［4］。

4.1 原理

空三加密是使用像片之間的公共連接點和少量野外控制點，利用航攝像片和所攝目標之間的聯系建立數學模型進行計算，獲得加密點的高程信息和平面坐標信息，進而求得每張影像的內外方位元素。

4.2 類型

空三加密分為三種：航帶法、獨立模型法和光束法［5］。而目前最常用的方法是光束法。

光束法是以形成單張像片的一束光線為單元，以中心投影的共線方程為平差模型，根據像片之間的連接點坐標相等，像控點的坐標與內業坐標相等，解算出像片的內外方位元素以及加密點三維坐標。

5 影像匹配與融合

5.1 影像匹配

影像匹配是在將多幅或者多種類型的影像，在影像重疊區域找出相同物體目標的方法，采取數學模型計算將影像進行正射糾正，糾正到統一的坐標系統內。

（1）影像匹配方法較多，常見的方法為基于灰度信息的方法和基于特征信息匹配兩種方法。

（2）影像匹配分為四個步驟：第一步是在兩幅圖像中提取灰度變化明顯的點、線、區域等特征信息；第二步是通過特征匹配算法，提取兩幅影像之間的特征信息，根據提取到的特征信息建立兩張像片之間的對應關系；第三步是建立數學模型，根據匹配的特征點計算得到像片的空間坐標變換參數；第四步是根據數學模型，對影像進行正射糾正，使影像糾正到統一的坐標系下。

5.2 影像融合

影像融合最常用的方法是拼接線算法。 該算法在兩幅相鄰影像的重疊區域，根據算法生成一個形狀不規則的拼接線，拼接線需要繞開房屋等重要地物，因此拼接線還需進行人工處理，影像融合時以拼接線為界限進行拼接，可以有效地解決正射糾正的精度不一致、色差較大的問題。

考慮到航飛時環境的不同，影像糾正的精度不同，影像匹配完成后，如果僅僅把影像相互覆蓋，則會在拼接線處出現明顯的色差，甚至局部出現影像錯位，使得拼接融合后的影像存在色差以及拼接痕跡。 因此在拼接前，需將影像進行勻色處理，從而實現無縫拼接。

6 測繪數據成果

6.1 數字高程模型

數字高程模型（digital elevation model，DEM）是描述地形垂直起伏特征的空間數形狀，由地面縱橫規則格網點的高程值構成的矩陣，形成柵格結構數據集。 無人機獲取地面數字高程模型的方法主要有兩種，一個是通過lidar 設備，獲取測區的點云數據，然后制作為DEM 數據；第二個是通過空三加密，建立測區的立體模型，通過人工采集的方式獲取大量的三維離散點，構建不規則三角網，再進行內插制作DEM。

6.2 數字正射影像

數字正射影像（digital orthophoto map，DOM）是利用DEM 對數字化的航空攝影影像或者衛星遙感影像逐個像元進行傾斜改正和投影差改正，獲得單張像片的正射糾正成果，計算并修改出影像拼接線后，按照影像拼接線對影像進行鑲嵌和勻色，最終根據設計要求剪裁成一定格式的影像數據。 可從DOM 中提取地物的最新信息，具有很高的幾何精度。

6.3 數字線劃圖

數字線劃地圖（digital line graph，DLG），使用基本點、線、面、注記以及符號等進行表達的全息地圖，保存著要素的空間關系以及相關屬性信息，具有任意縮放不變形的特點。 DLG 地形圖是多種地物圖層疊加在一起的矢量數據，能夠較全面地描述地表現象，也可以快速的生成專題地圖。

6.4 實景三維模型

實景三維模型目前主要采用傾斜攝影測量三維建模技術獲得，可以真實地展現地形地物的多角度紋理數據信息，并且具有較高的位置精度。 無人機實景三維建模是一種利用無人機進行快速影像數據采集、自動匹配和生成三維模型的技術。 實景三維模型作為真實、立體、時序化反映人類生產、生活和生態空間的時空信息，是國家基礎設施建設新型的基礎測繪地理信息數據。

7 應用實例

內蒙古西部測區1 ∶1 000 比例尺測繪基礎數據獲取。 測區長7.0 km，寬3.0 km，測區西北部地勢較高。 最低點平均值1 575 m，最高點平均值1 625 m，測區內高點和低點相差50 m。 需要制作比例尺1 ∶1000 的地形圖，為保證成果質量，設計地面分辨率優于0.1 m，航向重疊度不小于65%，旁向重疊度不小于35%，且影像清晰，顏色適中。 具體航測步驟如下：

（1）航線設計。 航線按東西向布設，計算測區內的最高點以及最低點，按照最高點平均值和最低點平均值，確定航飛基準面為1600 m。 為保證像片能夠滿足項目要求，設計地面分辨率為0.08 m，航向重疊度為70%，旁向重疊度為40%。 測區最高點和測區最低點重疊度，主要技術指標及要求概況如表1 所示。

表1 攝影主要技術指標及要求概況

在確定參數后，經軟件計算出航線數據，將航線數據導入飛控系統，飛控系統根據航線數據自動飛行并完成拍攝任務。 無人機盤旋半徑為300 m，起降場選擇在郊區廣場，300 m 范圍內無較高的遮擋。 航飛任務完成后，再導出POS 數據，并對像片質量進行檢查。

（2）布設測區像控點。 按照區域網法進行布設，由于高程精度要求不是很高，可全部采用平高控制點進行布設，如高程精度要求較高，需多布設高程控制點。 像控點盡量布設在重疊較多、易于測量、地物明顯的地區。

（3）航測數據處理。 主要有兩個方面，即DOM 制作與內業DLG 采集。 首先，對像片用PS 軟件進行色彩處理，其次，用PIX4D 軟件進行鏡頭畸變校正。 最后，轉入INPHO 軟件進行空三加密等操作，獲取最終結果。 加密后精度見表2。

表2 空三加密精度統計

經檢查各項技術指標均符合規范、標準、技術設計要求，能夠滿足1 ∶1 000 比例尺制作高精度DEM、DOM、DLG，實景三維模型基礎數據使用用途。

8 結語

綜上所述，無人機航空攝影測量在大比例尺測繪數據獲取的應用，具有操作簡單、機動靈活、性價比高等優勢。能快速獲得高精度DEM、DOM、DLG 成果，實景三維模型數據成果，值得推廣和研究課題。