利用无人机免像控快速构建高精度DSM

来源：《测绘通报》2017年第8期

作者：田超，陈杰，李能能，郭耀煌

数字地表模型(digital surface modelꎬDSM)是很多测绘产品的一个很重要的中间产品，基于DSM 可以进一步编辑、处理制作DEM、DOM 、TDOM、DLG、三维模型等。 另外，DSM表示的是真实地表的地面起伏情况，也可直接应用于各行各业，如电力行业监测植被生长对电力线的安全影响、军事上导弹制导障碍物监测、林业监测森林生长情况等。

DSM 生产主要通过摄影测量和激光LiDAR 两种方式构建， 传统摄影测量方法构建DSM，一般都是先基于航摄影像进行外业像控测量，内业根据像控点进行空三加密测量，构建三角网，最终生成DSM。

近年来，随着GPS 技术的快速发展，GPS 测量精度越来越高，但设备重量越来越轻，体积越来越小，逐步广泛应用到无人机上。结合GPS 辅助空中三角测量技术，可有效地减少像控点的数量甚至完全不使用像控点，大大提高了无人机作业效率。本文利用拓普康天狼星无人机进行影像快速获取，通过整合精密测时技术和载波相位差分技术(RTK)来实时获取每一张像片拍摄的准确位置，取代传统的地面控制点，利用Agisoft Photoscan 软件，在无需地面控制点的情况下全自动、快速构建DSM 成果，并通过试验来验证该一体化解决方案的有效性。

1、天狼星Pro 航空测图系统

天狼星Pro 是拓普康推出的一款航空测图系统，其主要包括数据获取和后处理系统两个部分， 数据获取采用集成高精度RTK 和惯性测量单元(IMU)、搭载松下LumixGX1 相机的电动固定翼无人机系统，飞行控制系统采用MAVinci Desktop，后处理系统采用Agisoft Photoscan 航测软件， 主要技术参数见表1。

　　该系统除了操控简单、环境适应性强、飞行安全外，还有以下两个优点:

　　(1) 无需像片控制测量，通过整合精密测时技术和RTK 定位技术来获取每一个摄站点的精确外方位元素，无需通过像片控制测量进行反算，大大减少了外业工作量，提高了作业效率，降低了生产成本。

　　(2) 数据后处理自动化程度高，通过固有插件有效地将飞行控制系统和后处理系统进行无缝整合，使得数据处理人员通过简单的操作即可快速生成DSM、DOM、点云模型等成果。

2、无控快速构建DSM

2.1　测区概况

　　试验测区位于甘肃省庆阳市华池县城壕乡白岔沟门村，地处黄土高原丘陵沟壑区， 测区呈矩形，面积约0.55 km2，高差约20 m，其中包括河流、道路、桥、民房、耕地等地物类型。

2.2　检测点布测

　　为了检测天狼星Pro 航空测图系统无控测图成果的平面精度和高程精度，飞行前，在测区内均匀、分散布设了10 个直径为0.5 m 的圆形标靶检测点(如图1 所示)，并使用GPS 静态观测方法进行实测。 试验中， 平面基准采用CGCS2000，高程系统为大地高， 由于航飞前有两个布设在公路旁的靶标检测点被意外破坏，最终有效的靶标检测点为8 个。

2.3　航线设计

　　航线设计采用MAVinci Desktop 软件，该软件以Bing在线地图为基础，根据输入的测区范围拐点坐标、设计飞行重叠度等参数自动生成航线，并能在三维环境下进行显示，航线设计如图2 所示。

　　如果测区范围大于飞行器一个架次飞行能力，可自动划分子摄区，并保证子摄区之间的重叠度，航线的方向可根据地形地貌自动调整，航线间还可自动调整相对航高来适应地面起伏，以保证飞行高度与地面高差在一定范围内，进而确保飞行安全，并使获取影像的分辨率满足设计要求。

2.4　数据获取

　　在基准站架设、飞机组装、地面调试完成后，采用手抛方式起飞，飞机离手后即可切入自驾模式，自动进入航线，按预先设定的航线自动获取影像数据，在获取影像的过程中，机载POS 设备同时获取每个摄站点的高精度位置和姿态信息，为后期数据处理提供精度保证。 另外，在飞行过程中，工作人员可通过地面站实时监控飞机的飞行状态、进度及相机工作状态，如影像重叠度是否满足要求，以便发生异常情况时及时制定相应的处理措施，降落时，飞机在自动驾驶辅助下由工作人员手动控制降落ꎬ采用滑翔机腹摩擦地面的方式着陆。

　　此次试验共飞行一个架次，飞行时间约20 min，获取影像728 张，具体飞行参数见表2，获取的摄站点位置如图3所示。

2.5　数据处理

　　2.5.1　影像检查及筛选

　　在外业获取影像数据后，利用MAVinci Desktop 软件对影像进行初步检查和筛选，重点检查影像重叠度是否满足要求，有无漏洞，以便及时发现问题并采取补飞或重飞等措施进行处理。 如图4 所示，不同颜色代表不同重叠度数，由图可知，本次航飞获取影像的旁向重叠度普遍在50%以上，满足后处理要求。

　　软件还可以对不需要参与后处理的多余影像(如转弯处的影像)进行筛选并剔除，同时自动剔除对应影像的POS数据， 剔除后，获取的728 张影像中，可参与后处理的有效影像588 张。

　　2.5.2　RTK 数据处理

　　在MAVinci Desktop 软件中输入基准站的真实坐标和天线高，软件结合影像匹配，对采集的RTK 数据进行平差解算，处理结果及精度分布如图5 所示， 由图5 可知，个别摄站点误差较大，单点最大达到0.3 m，通过分析发现，造成这种结果的原因主要有以下两点:

　　(1) 试验在中午12:00—13:00 之间进行，该时段是一天中GPS 信号接收较弱的时段，这是造成精度较差的主要原因。

　　( 2) 测区位于甘肃省华池县，地处黄土沟壑区中的沟底，环境因素对GPS 信号接收也有一定的影响， 最终平差处理结果见表3，由表3 可知，平差结果仍满足1 ∶ 500 精度要求。

　　2.5.3　数据后处理

　　天狼星Pro 航空测图系统数据后处理利用定制化开发的软件插件，将MAVinci Desktop 软件和Agisoft PhotoScan 整合，提供一键式数据处理方案。在整个处理过程中仅需设置少量参数(如图6 所示)，其余过程无需人工干预， 数据自动处理完成后即可生成DSM(如图7 所示)，同时也可直接输出DOM、点云数据及空三加密成果。

3、成果检测

航飞前，检测点的平面坐标和高程值已经使用GPS 静态观测方法获得，采用处理后获得的DOM 套合DSM 数据，量测靶标检测点的平面坐标和高程值，然后将读取的坐标值与相应的实地测量坐标值进行比对，最后通过计算得出平面中误差和高程中误差，并进行精度对比分析， 统计结果见表4。

根据规范标准«基础地理信息数字成果1∶ 500  1 ∶1000  1∶ 2000 数字线划图»(CH/ T 9008.1—2010)，1 ∶ 500比例尺成果平面位置中误差和高程中误差最高限差分别为0.3 和0.2 m， 从精度检测结果可以看出，成果的平面中误差为0.0617 m，高程中误差为0.074 m，远优于规范限差要求，精度可满足1 ∶ 500 的大比例尺测图要求。

4、结　语

试验表明，拓普康天狼星Pro 航空测图系统提供了在无地面控制点条件下可全自动生成DSM 的一体化解决方案，且成果平面位置中误差在2 倍GSD 左右。高程中误差在3 倍GSD 以内，在获取影像地面分辨率优于5 cm 时，可满足1 ∶ 500测图规范精度要求， 在未降低数据精度前提下，较传统技术流程，不仅免去了外业像控工作，而且内业数据处理自动化程度更高，大大缩短了作业时间，提高了作业效率，降低了项目成本。 如果在建有CORS 站的区域作业，提高基站测量效率，航摄工作将会更加便捷。 另外，该系统自动处理的成果类型较为丰富，适用于地理国情监测、应急测绘影像快速获取、困难区域高精度影像获取与地形测量、地形体积、坡度、坡向等计算与分析应用(如土石方计算、淹没分析等)等诸多领域，能够有效提升测绘服务保障能力，在测绘行业具有广阔的应用前景。

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