基于空中动力三角翼影像制图研究

2015-02-11王一川胡海友

铁道勘察 2015年5期

关键词：像片空三低空

王一川　胡海友

(中国中铁二院测绘工程设计研究院，四川成都　610083)

Topographic Mapping Analysis of the Power Delta Wing Images

WANG Yichuan　HU Haiyou

基于空中动力三角翼影像制图研究

王一川胡海友

(中国中铁二院测绘工程设计研究院，四川成都610083)

Topographic Mapping Analysis of the Power Delta Wing Images

WANG YichuanHU Haiyou

摘要介绍利用空中动力三角翼所获取的影像数据进行生产制图的过程，用INPHO软件进行空三加密，利用JX4-G数字摄影测量工作站进行地貌和地物的数据立体采集。统计结果表明，利用三角翼影像可以满足1∶2 000地形图的精度要求。

关键词空中动力三角翼精度制图

动力三角翼又叫动力悬挂滑翔机，有质量轻、简单易学、安全性高等特点，现多用于体育爱好者当中。他比飞艇和无人机大且重，受气流影像较小，飞行姿态稳定，采用动力三角翼进行航摄，得到的影像数据质量较高。动力三角翼上一般可坐2～3人，由于有人为控制，不存在坠机危险，这样可以搭载质量很好的相机(如Phase One等量测相机)，影像畸变会比无人机常使用的Cannon EOS 5D MarkII相机小很多，使后续的空三过程更加顺畅，定向和制图的精度会更高。安全系数得到保障后，空中飞行管制也会比无人机宽松许多，在人口密集的城镇等地优势明显高于无人机。

在实验区内利用INPHO软件对动力三角翼影像进行空三加密，采用JX4-G数字摄影测量工作站进行数据立体采集。通过对数据的处理和统计，验证动力三角翼影像空三是否满足大比例尺地形图精度要求。

1动力三角翼航拍影像的特点

1.1　影像质量

动力三角翼由于飞行高度较低，使用CCD数码相机作为传感器，因此影像空间分辨率很高。而且动力三角翼不存在坠机的危险，因此搭载的相机都是比较好的量测相机，如Phase One等，影像畸变小、影像边缘变形小、拖尾现象也不明显。但和UCD和DMC等相机比较，质量还是有差距。最好在空三之前先做一次去畸变处理，或在空三加密时详细定义相机的畸变参数。

1.2　像片旋偏角大

像片旋角是指以一张像片为基准，在相邻像片上选取两个同名点，两张影像所构成的夹角[2]。根据《铁路工程摄影测量规范》的规定，像片的旋偏角不宜大于10°。由于动力三角翼重量轻，易受到气流的影像，姿态极不稳定。像片的旋偏角一般都会大于这个数值，为空三自动相对定向带来难度，这也是低空飞行器普遍存在的一个弊端。

1.3　像片航向重叠和旁向重叠大

为了在DOM生产时选取效果最好的像对，在飞行时一般会人为加大航向和旁向重叠度。根据经验，航向重叠最好在65%～70%，旁向重叠最好在40%。这样每个地物基本上可以保证在8张像片上可以同时看到。另外，动力三角翼飞行受到气流影响，姿态不稳定，考虑旋偏角、倾角和航线的弯曲度等影响后，也需要人为地加大航向和旁向重叠度。

1.4　像片数量多

动力三角翼搭载的是一般的数码相机，影像像幅很小，一般为几个厘米，一个测区就会有上百张影像。再加上动力三角翼飞行时会增大旁向和航向的重叠度，因此一个测区内的像片数就会更多。

1.5　像片基线短

动力三角翼拍摄像片基线都很短，在加上拍摄航高小，动力三角翼影像所形成像对的立体感不如大飞机所装载的UCD和DMC相机，人工采集时高程精度不容易保证，空三加密时需要更多的高程点参与平差计算，这给外业内业都带来了更大的工作量。

2动力三角翼影像制图关键步骤质量控制

2.1　像片去畸变

动力三角翼上搭载的相机不如大飞机搭载的相机性能好，空三加密及立体采集最好使用经过去畸变处理的影像。一般空三软件PixelGrid、MapMatrix等都可完成。如果没有做，则要在空三加密定义相机文件时详细地定义相机畸变参数。

2.2　空三加密

现在能够进行动力三角翼影像空三加密的软件有很多。比较成熟的有PixelGrid、DPGrid、PixelFactory、INPHO、DATMatrix等。由于它们相对于传统的空三加密软件主要是在自动相对定向点匹配上功能有所增强，这样大大减少了人工的工作量。各种软件在处理流程上基本一致，如图1所示。

动力三角翼影像空三加密要注意以下几个问题。

(1)相对定向限差

《铁路工程摄影测量规范》中规定相对定向点的残余上下视差限差为0.008 mm。但数码相机像素多在0.008 mm以下，所以这个规定显然不适合动力三角翼相机。利用动力三角翼数码片进行空三加密要执行《低空数字航空摄影测量内业规范》中的规定：连接点的上下视差中误差为2/3像素，最大残差4/3个像素，特别困难地区可放宽0.5倍。

(2)相对定向自动匹配点个数要求

由于低空飞行器的影像都有像片数量众多等特点，要求人工做相对定向是几乎不可能完成的。这样相对定向自动匹配点的质量和数量对空三加密的质量就起着决定性的作用。在植被茂盛的山区或大面积落水的区域，要特别关注点的数量是否符合要求。一般来说，每个像对中匹配的自动点必须均匀分布，数量越多越好。如果发现自动点匹配过少的情况必须人工加点，或建立一个子区，调整参数，设置重新匹配等方法，使自动点数量达到要求。

(3)POS数据是否参与平差计算

大飞机飞的影像姿态稳定，GPS和IMU数据精度比较高。但是动力三角翼受气流影像较大，GPS和IMU数据精度很低。在空三自动做相对定向匹配同名点时可以使用，但在平差计算时，有可能精度太差的POS数据反而会影响平差的精度，最好不要参与平差计算。或者在测区量完控制点后利用平差计算一次后的GPS和IMU数据再参与第二次平差计算，以求提高计算精度。

2.3　数据立体采集

与传统大飞机航飞影像相比较，利用空中动力三角翼影像制图在以下几个方面应加强检查：

(1)空中动力三角翼影像一般比较多，立体像对也相对较多，会影响制图效率，作业员这时可能会忽略立体采集的范围不应超过像片上控制点连线的要求。空中动力三角翼影像畸变比较大，测图时太靠近影像边缘会对采集精度带来影响，需要检查人员加强检查力度。

(2)数据采集时应更加注意像对之间的接边检查。由于空三加密时全自动匹配的连接点还是没有人工点精度可靠，因此在数据立体采集前应先检查像对间的接边，如果超出规范要求，必须返回空三步骤修改。

3实验区

3.1　实验区概况

本次实验的区域为四川省阆中市某开发区，面积大约10 km2。该地区主要是丘陵地形，高差约150～200 m，属于Ⅱ级地形。制图比例为1∶2 000。

3.2　数据资料

实验区内共航飞了9个航带，581片影像。由数码相机Phase One拍摄，像元大小为0.006 mm，数码影像的空间分辨率大小约为0.15 m，相对航高1 000 m左右。为了保证后期制作DOM的效果，航线内重叠达到了70%左右，旁向重叠在50%左右。外业在测区内共布设了45个控制点，113个加密检查点。

3.3　处理软件

处理三角翼影像的软件有很多，选择处理无人机影像的空三软件主要是注意影像点自动匹配功能是否强大。现在市场上比较常用的有PixelGrid、DPGrid、PixelFactory、INPHO、DATMatrix等。但是在影像匹配和处理速度上来说，INPHO软件是业内公认的性能比较好的一款软件。它是世界领先的用于数字摄影测量以及地表模型建立的软件，已有30多年的发展历史，其空三模块在影像自动匹配上有非常明显的优势。在地形地貌十分复杂的地区、植被覆盖密集的地区或大面积水域，INPHO软件影像点的自动匹配程度都很高，特别适合西部山区作业。连接点的自动匹配可以减少大量的人工操作，对影像数众多的无人机影像是十分重要的，可大大提高生产效率，缩短生产时间。

3.4　空三加密精度统计。

动力三角翼空三加密的精度依据《低空数据航空摄影测量内业规范》中1∶2 000图，丘陵地形的要求，如表1所示。

45个控制点全部参与平差计算后精度统计如表2所示。

基本定向点的结果完全满足《低空数据航空摄影测量内业规范》对1∶2000地形图要求，而且平面精度要优于高程精度。

检查点中误差为Mz=0.770 m，结果也可满足《低空数据航空摄影测量内业规范》中丘陵地形对加密检查点的高程要求。

4结论

通过计算空三定向点和检查点的平面高程中误差可以看出，本实验区空三精度完全可以满足《低空数据航空摄影测量内业规范》中丘陵地的定向精度要求，空中动力三角翼影像可以用于低空大比例尺地形图绘制。和传统航飞获取影像制图相比，本项目选择使用动力三角翼来摄影制图缩短了影像获取时间，节约了成本，且质量也能得到保障。

参考文献

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[2]曹正响.基于PixelGrid软件的无人机数据处理方法和技术探讨[J].测绘通报，2012(增刊)：436-440

[3]田甜,李胜天,刘丽娟.基于动力三角翼低空航测技术制作1∶1 000地形图的精度统计分析[J].江西煤炭科技，2012(2)

[4]周友义.基于PixelGrid软件的无人机数据处理[J].测绘与空间地理信息，2013，36(1):128-130

[5]李玉清.基于PixelGrid的无人机数据处理[J].现代测绘，2013，36(2):36-38

[6]王俊.无人机航空摄影的空三评价分析[J].甘肃科技，2011，27(13)：41-43

[7]刘强,石洁,赵琛.基于PixelGrid的无人机影像空三精度分析[J].电脑知识与技术，2012，8(12)：2865-2867

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[9]张雪萍，刘英.无人机在大比例尺DOM生产中的应用[J].测绘标准化，2011，27(4)：25-27

[10]林莉,黄昶.低空无人机航测1∶1 000地形图[J].铁道勘察，2012(1)

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