无人机航空摄影及正射影像制作技术实践

杨志强

（甘肃煤田地质局综合普查队，甘肃 天水 741002）

以往传统摄影测量只能进行二维空间构建及绘制，随着测绘技术的发展，利用传感器从三维场景来反应真实环境的摄影技术被逐渐推广应用。利用无人机进行航空摄像，并将采集的影像数据通过建立三维空间模型，这一技术的兴起被广泛的应用于地形图测绘、城市规划、工程测绘及文物保护等方面，例如管文晋（2019）将无人机倾斜摄影技术应用于矿山测绘中，并实践验证了该技术能充分满足矿山测绘基本要求[1]；刘兆慧等（2019）针对以往全站仪采集和测量土石方工程任务繁琐耗时较长的问题，采用无人机倾斜测量技术计算土石方量，结果验证了这一技术具有计算准确、效率较高的优势[2]；孙杰等（2019）分析了各类无人机飞行平台的技术特点，设计了多种倾斜摄影技术方案，研发出了多种规格型号无人机倾斜摄影设备[3]；金辉（2019）利用无人机倾斜摄影技术在地质灾害区域进行可视化，为安全隐患排除和救援工作提供便利[4]。对于无人机倾斜摄影测量技术方法方面，国内外工作者进行了大量的研究及实践，对于正射影像制作及航拍设计方面，实践案例相比较少[5-7]。本文以额济纳旗无人机航空摄影及正摄影像制作技术为案例，收集额济纳旗已有地形资料，并通过实地踏勘，进行了无人机航飞以及正射影像的制作，为正摄影像测量技术提供借鉴。

1 测区范围及自然地理概况

额济纳旗地处祖国北疆，位于内蒙古自治区最西端，东与阿拉善右旗毗邻，西南与甘肃省酒泉市交界，北与蒙古国接壤，国境线全长507.147公里。全旗现辖3个镇、5个苏木、19个嘎查村，总面积11.46万km2，约占全区总面积的十分之一。居住着蒙、汉、回、藏等9个民族3.3万余人，是一个以蒙古族为主体的边境多民族聚居旗。历史悠久的额济纳旗，早在原始社会就有人类活动，堪称东西石器文化的连接点。

2 设计方案

2.1 投入的仪器设备

航空摄影设备：LTBT-测绘鹰航测遥感无人机平台（最小失速速度：50km/h、续航时间：3h、最小起降距离：50m、有效任务载荷：5kg）、佳能尼康 D800相机 （像幅为7360*4912、6300万像素、像素大小4.88微米、焦距长度7367.37像素）、飞思P65+相机（像幅为8984*6732、6000万像素、像素大小6微米、焦距长度5959.46像素），地面控制系统、GPS导航系统。图形工作站，空三加密软件PixelGrid，pixel4Dmapper，匀色软件OrthoMosaic，裁图软件GlobalMapper，图像处理软件Photoshop。

2.2 航飞计划

设计用图的选择：选择1：1万比例尺地形图作为航摄设计用图。

摄影比例尺：航摄比例尺根据农村土地承包经营确权1：2000比例尺的特点，结合摄区的地形条件，设定地面分辨率保持0.1m。

摄影航线布设：额济纳旗达来呼布镇航飞分区图和航线布设图如图1所示。

图1 航线布设图

2.3 像片控制测量

根据测区地形特点和航摄计划情况，本测区像控点采用航线布点法，就是在每条航线上平均隔6条基线跨度布设一个平高点。

像控点尽量选在道路行车线、斑马线、花台角、影像小于0.2mm的点状地物中心等明显的地方；若确无明显地方，可分开布设平面、高程控制点，一般不要选在房角、有草丛的田埂、有弧度的田角等，当布设的点高于地面时，还应提供该点至地面的比高。

2.4 数据检查

航空摄影成果质量检查采用内业程序检查配合人机交互检查的方法，外业检查只对样品的实际精度进行了检测，检测时采用苍穹GPS-RTK接收机，依托GPS CORS平台，在实地测量正射影像图上同名点的坐标，后与正射影像图的坐标进行比对得其误差值。

3 技术实施

3.1 像控点测量

根据测区地形特征和航摄资料情况，本测区采用平高区域网单航带双模型布网，用CORS连续运行基准站，作为像控点测量工作的起算数据。共完成22个像控点测量。平均900m一个像控点。如图2所示。

图2 额济纳旗像控点分布图

3.2 航测内业数据生成

1）根据现行国家法规、标准和规范精度要求，对航空影像和外业控制点资料进行分析，确认其可以满足空三加密作业要求，进而合理划分加密分区，编制加密计划。

2）按编制的加密计划，开始建立相应的加密分区工程；设置测区基本参数，建立相机文件、控制点文件。

3）按加密分区建立测区影像航线列表，对原始影像进行畸变差改正。

4）内定向：采用全自动内定向。

5）添加相邻航线间的偏移点（即航带间连接点），相邻航线间只加首尾两点，航线较长或旋偏角较大时增加连接点的密度，以利于航线间自动转点。

6）相对定向、全自动转点由软件自动计算完成。在大面积水域或大面积植被覆盖情况下，软件会自动记录并在计算完成后提示哪些模型无法自动完成，由人工干预适当加些关联点再自动匹配计算即可完成。

7）自动挑点。调用PixelGrid计算，选用5*3的模式进行挑点。

8）自动挑点后，检查加密区的点位分布情况，保证测区中每一张影像三度重叠区的上、中、下三个标准点位上必须有连接点；对少点、无点的影像进行人工添加连接点，处于影像边缘点进行删除，以保证控制网的精度、强度。

9）对于大面积落水区域，在影像落水区域的边上按间隔1～1.5cm添加连接点，使落水区域附近的像点网有一个稳固的边界，从而减少落水区域的影响。

10）量测像控点：根据外业像控点刺点说明和点位略图，实行立体观测切准点位，添加外业像控点。

11）平差计算：利用光束法区域网平差方法进行整测区平差。

12）加密分区接边：在单区网加密精度达到要求的条件下，进行区域网间接边处理。在网间接边处选取明显同名点，分别重新计算，解求同一点位在不同网中的坐标，并进行比较；评判较差是否在允许的范围之内，如果达不到要求，分别分析接边网的构网强度以及解算可靠性，经过修改、完善，重新进行计算，再进行比较，直至网间公共点的残差中误差符合规范要求。

3.3 正射影像图制作

1）在影像处理系统中，导入空三加密成果，生成立体像对。按照需求设置间距，计算单模型DSM。

2）通过设置不同的参数进行各种有针对性的操作：保留山体、或者去除房屋、或者提取水域，对应得到具有不同特征的DSM影像，然后再将所有的DSM进行融合，综合各个DSM的优点，从而得到整个测区的质量较高的DSM。

3）在DSM的基础上，通过自动过滤人工建筑物、林地等的高程信息，并改正自动匹配造成的误差，使之严格切准地表面，生成高精度的DEM单模型数据；之后系统自动拼接得到区域数字高程模型。

4）相邻数字高程模型接边没有出现漏洞现象，两数字高程模型间相邻行（列）格网点平面坐标连续且符合格网间距要求，高程符合地形连续、平滑连接的总体特征，即使出现跳变，也符合地貌特征。采用DEM对原始影像进行单模型正射纠正。以0.2m的像元大小进行双线性内插或三次卷积内插法进行重采样。

5）对OrthoMosaic进行色彩调整，整体颜色达到满意效果后，作为参考影像重新导入到影像处理系统中，对正射影像成果进行全自动匀色处理。DOM影像清晰，反差适中，没有出现重影、错位、扭曲、拉花等现象。

6）系统利用DSM和DEM智能判断地物优化生成镶嵌线，保证了建筑物及其他要素的完整性，并使接边自然过渡，无缝镶嵌。

7）根据现行国家法规、标准和规范要求进行图幅DOM裁切输出，裁切后的影像没有在边缘处出现黑白边，DOM接边重叠带也无明显的模糊和重影。

4 航摄技术总结

选择1：1万比例尺地形图作为航摄设计用图，航摄比例尺根据农村土地承包经营确权1：2000比例尺的特点，结合摄区的地形条件，设定地面分辨率保持0.1m，额济纳旗作了精度达0.1m的高分辨率影像数据的获取，飞行相对航高350m。航线沿线路中心线敷设，保证线路两侧的影像宽度不少于100m。选择太阳高度角大于45°，阴影倍数小于2的中午11点到下午2点为航摄时间。此测区飞行最终航向重叠度为80%，旁向重叠度为55%，航线间隔498m。本测区航飞区域共33km2，共18条航线，共1206张相片，飞行一个架次。