简单地形地貌区优化无人机航测空三的一种方法

樊鹏昊 姜 泉 尹燕运

(中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

无人机航空摄影测量进行大比例尺地形图测绘相较于卫星遥感、有人飞机搭载航摄仪和人工测量的作业模式，在较小测区作业时具有效率高、反应迅速、适应不同测区能力强、成本低、精度高等优点，已得到业界的广泛应用[1-2]。但是在测区的特定区域，航摄获取的影像地形地貌较简单，特征点不明显，无法进行有效的特征匹配，空三解算的结果往往不太理想，需要进行补测。通过分析空三结果报告，找出地形地貌较简单的区域，在满足测图比例尺精度的前提下，以尽量减少外业工作量为原则，通过增加该简单区域不同航高不同航向的航摄架次，获取的多比例尺航摄影像与初次获取影像进行联合空三解算，从而优化空三解算精度，得到合格的影像外方位元素数据，提高建模和矢量化地形图精度。

本次试验测区位于吉林某山区，时间为四月下旬，测区面积约10 km2，厂房、库房等有人工设施的地方面积占比很小，树木还处于没有发芽长叶的状态，整体色调和纹理特征单一、类同。航测采用瑞士SenseFly公司生产的eBee Plus全自动测量级无人机进行航空摄影，该机内置高灵敏度GNSS接收机，通过配套的eMotion专用飞控软件进行飞控作业，采用PPK后处理模式进行空三解算，得到合格的影像外方位元素。通过航测建模软件Smart3D建立测区三维模型，导入实景三维测图软件DPMapper中进行矢量化地形图测绘，测绘成果满足厂区1∶2000大比例尺地形图测绘要求，作业流程如图1所示。

图1 航测地形图作业流程图

1 无人机航空摄影和空三解算

通过在Google Earth上确定航测区域范围KML文件，导入eBee Plus无人机飞控软件eMotion中，在软件中设定好航向旁向重叠度、地面采样率、起飞点和降落点后，该飞控软件可自动计算出航飞高度、航线间距和相机曝光位置，只需把无人机逆风方向抛飞即可按照飞控软件指令飞行和拍摄影像，作业任务完成后自动返航。无人机抛飞作业前，需要在开阔的地面已知坐标点上架设一台GNSS接收机，通过同步接收导航卫星信号提供无人机数据后处理PPK导航数据，结合无人机搭载的GNSS系统进行后差分改正处理，得到每一张像片的外方位元素。

外业航测原设计26条航线，航向和旁向重叠率均设为80%，飞行4个架次完成外业影像采集任务，飞控软件自动计算的航线如图2所示。

图2 设计航线

外业影像采集任务完成后，现场利用PIX4D无人机航测影像处理软件进行快速无地面控制点空三检查，对拍摄的影像质量和可用性进行检查，快速检查影像数据拼接情况。经过快速检查，发现飞行影像拼接成果有漏洞，即所拍影像质量不符合要求。通过查看该区域航测影像，分析漏洞出现原因如下：此次航摄作业测区位于吉林某山区，时间正直早春，测区除厂房、库房等有人工设施的地方，大部分地区生长的树木还处于没有发芽长叶的状态，整体色调和纹理特征单一、类同，特征点不明显，相邻影像无法进行有效的特征点匹配，造成拼接漏洞，航测数据无法满足空三作业要求，无法得到满足要求的影像外方位元素数据。

2 多比例尺航空影像联合空三加密

经过分析，漏洞处地形地貌为山区，人员很难进入设置连接点，故而采用如下方法进行补测：(1)在漏洞区域降低飞行高度，增大地面采样率，增大摄影比例尺，从而提高影像同名特征点匹配精度；(2)在相同漏洞区域升高飞行高度，增大影像相幅拍摄范围，减小摄影比例尺，在更大范围内查找地面特征点，增加相邻影像同名特征点数量；(3)在相同漏洞区域按原设计航高沿与原设计航线方向正交的航线进行架构航线飞行，增加该区域不同角度的影像，便于特征点的查找和匹配。

在满足测图比例尺精度的前提下，以尽量减少外业工作量为原则，对测区内2处漏洞按照上述补测方案各补测3个架次，补测的6个架次影像数据与原先拍摄的4个架次影像数据共1757张像片，在PIX4D中进行多航高多比例尺影像联合空三快速检测，得到了全测区范围符合要求的航摄地形图外业影像资料，空三结果合格，可以进一步加入地面控制点进行全面高精度处理空三解算。实际影像曝光点位置如图3所示，空三结果如图4所示，测区中部绿色表示空三解算合格。

图3 实际影像曝光点位置

图4 空三解算结果

3 三维模型矢量化地形图测绘

把多比例尺航测影像和通过PIX4D全面高精度处理空三解算合格的外方位元素导入Smart3D软件，加入地面控制点再次进行空三解算，进而建立测区高精度三维模型，把高精度三维模型导入实景三维测图软件DP-Mapper中进行地形图矢量化数字测绘，把测区的线状、点状、面状地形地貌元素和高程点采集完毕，再经过CASS数字化成图软件修饰和分幅，得到测区合格的1∶2000数字化地形图。

4 精度分析

在得到测区1∶2000数字化地形图后，通过与厂区原测量的1∶500地形图的同名地物点、地形点进行平面高程数据对比，检查结果对比如表1所示，经计算得到其点位坐标平均中误差为±18 cm，高程平均中误差为±11 cm，均符合规范精度要求。

表1 特征点检查精度统计表 m

5 结论

对无人机在简单地形地貌情况下航测空三解算出现漏洞的现象进行多比例尺影像补测，通过补测一组原设计航高的架构航线、一组低于设计航高的影像、一组高于设计航高的影像，可以有效优化空三结果，得到满足大比例尺无人机航测地形图精度要求的外业航测数据和影像外方位元素数据。再利用建模软件得到测区真实三维模型和点云数据，通过矢量化测图软件对三维模型进行矢量化测图，即可得到满足大比例尺地形图精度要求的成果文件。