无人机免像控垂直三维模型在城镇排污地形图中的应用探讨

余 忆

（遵义水利水电勘测设计研究院（有限责任公司）,贵州 遵义 563000）

1 项目概况

该项目位于绥阳县,项目涉及县城整个城区,需要测出城区1∶1000地形图。测区跨度最大10 km左右,航飞面积大概50 km2。测区主要地物包括大量高层建筑物及少量中高层、多层建筑,大量的城区道路及其他的附属设施（见图1）。项目主要特点是测区主要为城市,涉及地物较多,但地势较为平坦,没有太大的地形起伏。因此,项目主要问题在于工作量大,精度要求高。

图1 绥阳县城概图

2 免像控技术

继工程测量之后无人机航测在测量的效率上已经是有了翻天覆地的变化了,但在野外像控这一方面仍然需要一定的工作量。随着无人机差分及后差分技术的出现,使免像控航测成为可能。而无人机航测的主要误差正是来源于POS精度、相机畸变、及航飞地面分辨率[1]。

高精度差分数据。目前市场用于航测的PPK技术（后差分技术）在航飞pos上已经可以达到厘米级的相对定位精度,通过基准站进行坐标转换即可得到想要的坐标系。但是得到的高程是大地高,项目往往需要的正常高,因此还需要大地高与正常高的转换。

大地高与正常高之间就是差一个高程异常值,而这个高程异常值随地形的起伏变化较大,因此通过重力场模型来解算高程异常值,通常采用EGM2008,该模型精度较高,解算的高程异常数据误差较小,但仍然需要外业测量少量准确的高程异常来修正误差。

相机畸变。相机参数的准确性直接影响航测的整体精度,特别是畸变参数更是航测的主要误差来源。因此,首先在相机的选择上需要选择畸变较小的相机。在空三计算时,也需要对相机参数进行一个反算,并且需要通过空三结果判断相机参数反算的准确性,数据质量差时,有时候还需要多个软件进行计算。

3 影像数据地面分辨率

地面分辨率同样也是航测的主要误差来源之一,影像分辨率越高,在空三计算过程中及人工采集数据时,对于影像的判读精度将会越高[2]。因此,在航飞过程中,也需要按照成图比例尺对地面分辨率做一定的把控,综合地形起伏,把握效率与精度,控制航高,保证足够的地面分辨率。

4 空三效率及建模效率

该项目中采用无人机PPK技术,通过EGM2008重力场模型及少量实测高程异常值修正,得到精确的POS数据。采用畸变较小的相机,并反算相机参数,修正相机畸变。航飞时控制地面分辨率平均为2.6 cm。

以该数据做免像控空中三角测量,与传统空三相比,免去了空三刺点这一过程。在效率上,减少了测点的时间、控制点平差的时间,且让空三这一过程减少人工干预的环节,使空三更加简便,自动化程度更高。

在此空三的基础上,通过生产的正射影像（DOM）与数字地表模型（DSM）,构建垂直三维模型。该模型相对于常见的实景三维模型,由于它缺少侧面数据,所以该模型无论是在空三过程中还是建模过程中,它所需要的时间都远小于实景三维模型。而侧面数据对于城镇排污地形图测量项目来说并不是必要数据,因此以垂直三维模型来生产地形图是具有高效率与可行性的。最终项目分成15 个小区,由4 台电脑在三天之内完成了这48 km2的空三及建模。

5 空三精度

空三时,通过对检查点刺点检查,得出如下空三精度情况统计：

通过图2 可以看出,该分区中通过免像控技术做出的空三成果精度已经非常理想,X方向最大误差-0.074 m,Y方向最大误差-0.094 m,高程最大误差-0.272 m,X方向中误差0.032 m,Y方向中误差0.050 m,高程中误差0.130 m,而对15 个分区空三精度整体统计结果为平面中误差0.073 m,高程中误差0.091 m。根据航测空三规范,该成果完全满足1∶1000地形图生产需要,免像控技术在该项目中的利用具有可行性。根据对各个分区误差较大检查点的分布情况,误差分布仍然呈一般航测的误差特点,靠近分区边缘误差较大,而测区中心误差较小,因此在空三处理时需要注意尽量减少分区,在成图时尽量避开分区边缘,且航飞时也应该注意分区边缘应有一定的重叠度、航飞范围应大于成图范围一定宽度。

图2 最弱分区空三精度报告

6 垂直三维模型精度

在所有分区模型上通过对均匀分布的111 个检查点进行测量打点,再与外业测量的检查点相比,得出以下模型精度统计（见图3）。

图3 项目整体空三精度统计表

通过图4可以看出,检查点残差在X方向最大不超过0.2 m,在Y方向最大不超过-0.2 m,高程最大残差不超过0.4 m,经统计计算最终平面中误为0.070 m,高程中误差为0.118 m。根据航测1∶1000地形图测量规范,该模型完全满足1∶1000 地形图生产要求。

图4 检查点残差图

7 运用优势

7.1 画图效率

在县城排污项目中,测区以城市建筑为主要要素,而对于测量来说,只要以高程点、房屋、道路为主要要素,一般没有太多的地形起伏。而对于垂直三位模型来说,房屋、道路非常直观的出现在画图人的眼里,可以非常高效的画出房屋及道路边线。而高程点更是可以快速的在模型中测量出来,而且在一定的条件下可以直接快速自动提出。因此,使用垂直三维模型生产县城排污地形图是具有一定效率的。

7.2 采集优势

目前,使用航测测图,主要为实景三维模型测图、与立体测图[3]。垂直三维模型与实景三维模型测图方法基本相同,仅仅是以牺牲测图时不必要的侧面数据,来大量提升了模型从航飞、空三到建模整个过程中浪费的不必要时间。而与立体测图相比,一方面该模型为一块整体的直观模型,减少了立体测图需要逐个切换立体相对的时间,且为了方便立体相对放大缩小与切换的流畅程度,往往立体测图还要浪费大量时间做核线重采样。另一方面,垂直三维模型采集数据仅需要在模型上直接打点、画线,而立体测图还需要手动调整高程,才能测出准确的高程值,而这正是立体采集中大部分时间要做的事情。因此,垂直三维模型在县城排污地形图测量中是具有明显优势的。

7.3 画图精度

在县城排污项目中,与立体测图相比,垂直三维模型测图在精度上也占有一定的优势[4]。其一,对于立体测图来说,同样的空三结果,有些立体相对会因部分影像误差大的问题,与空三结果出现较大浮动的,因此在立体测图时,往往还需要加入一定量的检查点参考才能保证测图成果的可靠性,而垂直三维模型仅需少量检查点保证空三精度,即可保证测图成果的可靠性；其二,立体测图在高程测量中是通过测量员的立体视觉感官来判断的,无论如何都会存在一定的人为误差,而且跟测量员的经验关系很大,经验不足很容易造成高程误差大。而垂直三维模型测图是直接在模型上打点,精度直接取决于模型精度,没有人为误差；其二,立体测图往往由于影像畸变纠正不完整,存在立体像对边缘误差大的情况,测图是很容易造成模型接边误差大的情况。因此,使用垂直三维模型进行县城排污地形图测量在精度上具有相当的优势。

7.4 存取优势

对于实际生产中,通常会存在补测、或临时需要某些地方的高程数据等现象,因此模型数据的存取也是非常重要的。而垂直三维模型相对于实景三维模型来说,往往仅以一个DSM的格式来存取,数据量较小,文件单一,能够快速存取、随时调出来使用,而实景三维模型通常保存了大量的纹理数据,造成数据量非常大,而且以瓦片格式分别储存,涉及文件非常多,造成数据存取非常慢且所需空间非常大。对于立体测图来说,它的数据主要是畸变后的单张影像数据,及针对画图软件的空三数据,这些数据也是非常繁多、消耗空间大。因此,垂直三维模型还具有一定的存取优势。

8 结语

通过无人机免像控垂直三维模型技术在绥阳县城排污项目中的实践分析,无人机免像控技术已能够满足1∶1000地形图的生产要求,而垂直三维模型在城区地形图测量中也的确有相当大的实用性。通过这两种技术的融合,在城区地形图的测量中能够提高较大的生产效率,而且对于该方法生产的地形图数据,还具有充分的可靠性。