【技術(shù)】低空攝影測(cè)量在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用探討

摘 要：

通過(guò)低空攝影測(cè)量應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)量項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出低空攝影測(cè)量進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)量的作業(yè)流程，并對(duì)影響空中三角測(cè)量精度的像片控制點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行了研究，提出了像片控制點(diǎn)布設(shè)原則，可以為低空攝影測(cè)量在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 低空攝影測(cè)量;空中三角測(cè)量;像片控制點(diǎn);大比例尺地形圖

1、低空攝影測(cè)量概述

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，縮寫(xiě)UAV)，是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無(wú)人駕駛航空器。無(wú)人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是近年來(lái)發(fā)展較快的一門(mén)測(cè)量技術(shù)，無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及攝影測(cè)量軟件數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，為低空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用準(zhǔn)備了充分的條件，國(guó)家測(cè)繪地理信息局也在全國(guó)范圍內(nèi)大力推廣無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量，發(fā)布了相應(yīng)的測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件，為無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量提供了作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理規(guī)范。

目前，在電廠、變電所(站)等勘測(cè)工程的大比例尺地形圖測(cè)量作業(yè)中，仍然使用傳統(tǒng)的工程測(cè)量作業(yè)方法，需要投入較大的人力和較多的設(shè)備，作業(yè)效率不高，而應(yīng)用傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量或衛(wèi)星遙感等測(cè)量手段投入成本較大，不適合在場(chǎng)站電力工程等小面積地形圖測(cè)量項(xiàng)目中推廣，因此研究無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在大比例尺地形圖測(cè)量工程中的應(yīng)用具有重要意義。同時(shí)，應(yīng)用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)量也符合電力工程建設(shè)測(cè)繪用圖的現(xiàn)勢(shì)性和緊迫性要求。無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用不僅可以解決傳統(tǒng)電力工程測(cè)量周期長(zhǎng)、數(shù)字地圖不直觀的不足，還大大減輕野外技術(shù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)繪工作效率，為設(shè)計(jì)人員提供了豐富可靠的測(cè)量產(chǎn)品，為優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量的應(yīng)用需要與傳統(tǒng)高空攝影測(cè)量的作業(yè)流程進(jìn)行比較，并確定適應(yīng)滿(mǎn)足工程要求的像片控制點(diǎn)方案，以獲取滿(mǎn)足工程要求的地形圖成果。本文對(duì)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)量的作業(yè)流程和外控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行了探討, 為無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在大比例尺地形圖(本文中的大比例尺指1 ∶ 1 000)中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的嘗試。

2、低空攝影測(cè)量作業(yè)流程研究

在甘肅(電廠項(xiàng)目)和江西(變電站項(xiàng)目)兩處大比例尺地形圖測(cè)量工程中利用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，在較短時(shí)間內(nèi)就獲得了符合《火電廠工程測(cè)量技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5001-2014)要求的大比例尺數(shù)字線(xiàn)劃圖(DLG)，為工程的后續(xù)勘察設(shè)計(jì)工作爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。兩個(gè)項(xiàng)目測(cè)區(qū)的低空攝影測(cè)量航拍工作均委托有資質(zhì)的專(zhuān)業(yè)航飛公司進(jìn)行，選擇氣候條件較好的時(shí)間進(jìn)行了航飛，最終獲得了質(zhì)量較高的測(cè)區(qū)航攝影像。

為了探討無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)量的作業(yè)流程，在甘肅電廠項(xiàng)目中，先按照傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量全野外作業(yè)方法進(jìn)行外控測(cè)量，獲得外控成果后，利用專(zhuān)業(yè)低空攝影測(cè)量處理軟件(本試驗(yàn)采用適普公司的DPGrid 軟件)進(jìn)行影像預(yù)處理后進(jìn)行空中三角測(cè)量，在空中三角測(cè)量過(guò)程中，采用不同的控制點(diǎn)方案進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，并比較空中三角測(cè)量成果精度，利用符合規(guī)范要求的空三成果輸出立體測(cè)圖模型，在JX4 或VirtuoZo 軟件中進(jìn)行矢量測(cè)圖[1-2]。上述作業(yè)流程是典型的航空攝影測(cè)量作業(yè)流程，但無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量比較航空攝影測(cè)量存在較多的誤差來(lái)源，有攝影測(cè)量平臺(tái)誤差、相機(jī)畸變誤差、定向誤差等，為了評(píng)定立體測(cè)圖精度，在JX4 數(shù)字測(cè)圖系統(tǒng)下生成數(shù)字地形圖(草圖)，使用紙質(zhì)打印后，再到測(cè)區(qū)進(jìn)行布設(shè)檢查點(diǎn)位的測(cè)量、野外調(diào)繪、電力線(xiàn)及管線(xiàn)等補(bǔ)測(cè)，計(jì)算內(nèi)外業(yè)高程差值，通過(guò)外業(yè)檢查測(cè)量的方法評(píng)定其精度。通過(guò)對(duì)甘肅電廠項(xiàng)目(測(cè)區(qū)1)進(jìn)行外業(yè)檢測(cè)比較，平面精度較好，均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，高程需要進(jìn)行修正處理，檢測(cè)比較的高程中誤差為m=±0.41 m，不能滿(mǎn)足工程大比例尺地形圖測(cè)量規(guī)范要求。

為了獲得滿(mǎn)足規(guī)范要求的數(shù)字線(xiàn)劃圖成果，在甘肅電廠項(xiàng)目(測(cè)區(qū)1)中進(jìn)行了高程擬合修正試驗(yàn)，得出了利用部分外業(yè)檢查測(cè)量點(diǎn)對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)量點(diǎn)高程進(jìn)行擬合修正的有效方法，利用編制的數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算野外測(cè)量數(shù)據(jù)與JX4 內(nèi)業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的高程差值并進(jìn)行擬合，我們對(duì)擬合改正后的高程點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地再次檢測(cè)，其高程差值的絕對(duì)值均小于0.3 m，統(tǒng)計(jì)計(jì)算高程誤差為±0.15 m。

通過(guò)總結(jié)甘肅電廠項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，獲得測(cè)量作業(yè)流程，在江西變電所項(xiàng)目中又對(duì)該流程進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)上述流程得出的地形圖高程精度統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

通過(guò)以上試驗(yàn)，總結(jié)出無(wú)人機(jī)低空數(shù)字航空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖工程測(cè)量中作業(yè)流程，主要分為以下工序：

1)利用無(wú)人機(jī)低空攝影獲取航攝影像。

2)利用獲得的影像進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)。

3)在實(shí)地進(jìn)行像片控制點(diǎn)測(cè)量。

4)像片控制測(cè)量完成后進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪和相關(guān)檢查測(cè)量。

5)利用專(zhuān)業(yè)的低空攝影測(cè)量影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行影像數(shù)據(jù)預(yù)處理和空中三角測(cè)量，并對(duì)空三成果精度進(jìn)行精度評(píng)定，通過(guò)選取不同的控制點(diǎn)進(jìn)行空中三角測(cè)量，確保獲得的空三成果符合規(guī)范要求。

6)利用軟件輸出數(shù)字高程模型(DEM)并制作數(shù)字正射影像圖(DOM)，同時(shí)輸出立體測(cè)圖模型。

7)利用外業(yè)實(shí)地測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)業(yè)測(cè)量矢量圖進(jìn)行精度評(píng)定，對(duì)精度不滿(mǎn)足要求的區(qū)域進(jìn)行內(nèi)業(yè)高程修正并重新評(píng)定其精度，確保評(píng)定精度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

8)資料整理與歸檔。

完整的作業(yè)流程圖如圖1 所示。

從流程圖中可以發(fā)現(xiàn)，要獲得滿(mǎn)足工程規(guī)范要求的大比例尺數(shù)字線(xiàn)劃圖成果，由于低空攝影通常采用的是非檢校的數(shù)碼相機(jī)，需要對(duì)拍攝的像片進(jìn)行影像畸變差和系統(tǒng)誤差改正(預(yù)處理)，使之能符合常規(guī)攝影測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求，預(yù)處理完成之后有兩個(gè)關(guān)鍵的處理過(guò)程，即空中三角測(cè)量和內(nèi)業(yè)高程數(shù)據(jù)修正。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)選取不同的像片控制點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，獲得符合要求的空三成果，像片控制點(diǎn)的布設(shè)方案及空三時(shí)的選取方案決定了空中三角測(cè)量的平差精度，平差完成之后輸出的高精度的立體定向模型是后續(xù)立體量測(cè)地面點(diǎn)三維坐標(biāo)的基礎(chǔ);矢量測(cè)圖完成后，利用外業(yè)檢查測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)矢量測(cè)圖成果進(jìn)行評(píng)定，對(duì)不滿(mǎn)足精度要求的區(qū)域進(jìn)行高程擬合修正，從而獲得需要的地形圖成果。利用外業(yè)檢查測(cè)量點(diǎn)高程數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)業(yè)矢量測(cè)圖成果進(jìn)行修正是工程應(yīng)用的需要，上述流程的關(guān)鍵是空中三角測(cè)量，而影響空中三角測(cè)量精度最重要的因素是像片控制點(diǎn)的布設(shè)，對(duì)于高空攝影測(cè)量，像片控制點(diǎn)的布設(shè)具有成熟的方案，對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，則需要進(jìn)一步的探討。

3、外控點(diǎn)布設(shè)方案研究

為了研究像片控制點(diǎn)布設(shè)方案，在甘肅電廠項(xiàng)目中采用全野外方法進(jìn)行了像片控制點(diǎn)測(cè)量，在江西變電站項(xiàng)目中根據(jù)甘肅電廠項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了像片控制點(diǎn)布設(shè)方案驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影的像幅小、像片多，像控點(diǎn)布設(shè)可采取兩種方式：

第一種方式是在飛行后根據(jù)影像特征點(diǎn)實(shí)地刺點(diǎn)獲取點(diǎn)位坐標(biāo)，在甘肅電廠工程中采取了這種方式布點(diǎn)，由于是首次將無(wú)人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)應(yīng)用于火電廠地形圖測(cè)量，采取了全野外布點(diǎn)方式，每一像對(duì)2~4個(gè)像控點(diǎn)。

第二種方式是在飛行前在合適的點(diǎn)位布標(biāo)，這種方法沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范。在江西變電站工程兩個(gè)站址測(cè)量中對(duì)這種布點(diǎn)方式進(jìn)行了有效嘗試，取得了良好的試驗(yàn)效果。飛行后直接在影像上刺得像控點(diǎn)，減少刺點(diǎn)判點(diǎn)誤差，適合于自然特征點(diǎn)比較少的工作區(qū)域。

甘肅電廠和江西變電站試驗(yàn)項(xiàng)目像控點(diǎn)布設(shè)情況見(jiàn)表2 所示。

在甘肅電廠項(xiàng)目外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量完成后，利用DPGrid 軟件進(jìn)行影像處理和空中三角測(cè)量，因?yàn)椴捎萌巴夥椒y(cè)量了390 個(gè)控制點(diǎn)，在空中三角測(cè)量時(shí)設(shè)計(jì)了4 種方案進(jìn)行比較，以總結(jié)像片控制點(diǎn)布設(shè)原則，4 種方案分述如下：

方案1 ：全部控制點(diǎn)都作為平高控制點(diǎn)。

方案2 ：區(qū)域內(nèi)四周邊點(diǎn)的控制點(diǎn)全部為布設(shè)平高控制點(diǎn)，四角控制點(diǎn)布成點(diǎn)組形式，區(qū)域內(nèi)部的控制點(diǎn)都設(shè)為檢查點(diǎn)，如圖2a 所示。

方案3 ：區(qū)域內(nèi)四周邊點(diǎn)的控制點(diǎn)全部布設(shè)為平高控制點(diǎn)，并在周邊布設(shè)較為密集的平高控制點(diǎn)，區(qū)域中間再加少量平高控制點(diǎn)，中間平高控制點(diǎn)依據(jù)地形地貌進(jìn)行選取，如圖2b 所示。

方案4 ：與方案3 類(lèi)似，區(qū)域內(nèi)四周邊點(diǎn)的控制點(diǎn)全部為布設(shè)平高控制點(diǎn)，并在周邊布設(shè)較為密集的平高控制點(diǎn)，但區(qū)域中間全部作為檢查點(diǎn)，如圖2c 所示。

最終獲得的空中三角測(cè)量控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度如表3 所示。

從表3 可以看出，采用方案2 進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)，精度明顯降低，不能滿(mǎn)足規(guī)范空三測(cè)量要求，而方案3 與方案4 雖然精度較方案1 有所下降，但仍然能滿(mǎn)足規(guī)范的精度要求，而且方案3 與方案4 的精度結(jié)果比較接近。在上述比較完成后，我們對(duì)周邊布點(diǎn)的密度以及測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)布設(shè)也進(jìn)行了選取試驗(yàn)，結(jié)果表明周邊布點(diǎn)以8 條攝影基線(xiàn)長(zhǎng)度為宜，同時(shí)測(cè)區(qū)內(nèi)部需要數(shù)量合適的控制點(diǎn)。根據(jù)甘肅電廠項(xiàng)目像片控制點(diǎn)選取試驗(yàn)比較結(jié)果，總結(jié)出如下兩點(diǎn)布點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

1)測(cè)區(qū)四周布置點(diǎn)數(shù)要相對(duì)密集，測(cè)區(qū)中間只需布設(shè)合適數(shù)量的控制點(diǎn)，周邊布點(diǎn)其跨度為i=8b(b為攝影基線(xiàn)長(zhǎng)度)。

2)各種地形的區(qū)域要布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，如空地、林地、灌木區(qū)、旱地、水田等，控制點(diǎn)應(yīng)能控制測(cè)區(qū)地形地貌。

上述布點(diǎn)方案在江西變電站項(xiàng)目中進(jìn)行了檢驗(yàn)，并取得了較好的空中三角測(cè)量成果，江西變電站兩個(gè)站址空中三角測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

從上表可以看出，采用上述布點(diǎn)原則進(jìn)行低空攝影測(cè)量像片控制點(diǎn)布設(shè)，既減少了外業(yè)控制測(cè)量的工作量，也能獲得滿(mǎn)足大比例尺地形圖測(cè)量規(guī)范要求的空中三角測(cè)量成果。

4、結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量是目前大比例尺地形圖測(cè)繪發(fā)展的一個(gè)方向，在火力發(fā)電廠、變電站、核電等項(xiàng)目小區(qū)域大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中，應(yīng)用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)是完成電力工程測(cè)量任務(wù)的有效手段和便捷途徑。本文通過(guò)甘肅電廠項(xiàng)目和江西變電站項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了應(yīng)用低空攝影測(cè)量作業(yè)手段進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)量的作業(yè)流程，并對(duì)其中的關(guān)鍵過(guò)程像片控制點(diǎn)布設(shè)進(jìn)行了研究，得出了像片控制點(diǎn)布設(shè)的一般性原則，為無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在工程中的應(yīng)用提供了有益的參考。但無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量平臺(tái)和航攝數(shù)碼相機(jī)眾多，在具體的工程實(shí)踐中還需要考慮不同平臺(tái)和相機(jī)間的差異，通過(guò)更多的工程實(shí)踐總結(jié)出更普通性的作業(yè)流程和像控點(diǎn)布設(shè)方法，以便無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量這一新興測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中得到更好的推廣應(yīng)用。

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來(lái)源：《地理空間信息》