模板 | 无人机航测方案（基础地理信息）设计

达北云多普云 2021-10-08

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【摘　要】　结合厦门数字正射影像图生产实践，探讨通过全数字摄影测量工作站VirtuoZo进行数字正射影像图（DOM）的制作。
【关键字】　遥感数字正射影像图 DOM 正射纠正 DEM 数字线划图 DLG

1 前言
　　随着国家对基础设施建设力度的加大，用于城市规划、建设和管理的城市大比例尺DOM需求量增多，且对其现势性要求也日益提高。
　　我们在测绘生产中常见的影像有航空像片、SPOT影像和TM影像等。这些影像是通过航空摄影或卫星遥感获取的，通常我们用得较多的是航空像片卫星图像。在进行航空摄影时，由于无法保证摄影瞬间航摄相机的绝对水平，得到的影像是一个倾斜投影的像片，像片各个部分的比例尺不一致；另外，根据光学成像原理，相机成像时是按照中心投影方式成像的，这样地面上的高低起伏在像片上就会存在投影差。要使影像具有地图的特性，需要对影像进行倾斜纠正和投影差的改正，经改正消除各种变形后得到的影像叫做正射影像。
　　正射影像制作一般是通过在像片上选取一些地面控制点，并利用原来已经获取的该像片范围内的数字高程模型（DEM）数据，对影像同时进行倾斜改正和投影差改正，将影像重采样成正射影像。将多个正射影像拼接镶嵌在一起，并进行色彩平衡处理后，按照一定范围内裁切出来的影像就是正射影像图。正射影像同时具有地形图特性和影像特性，信息丰富，可作为GIS的数据源，从而丰富地理信息系统的表现形式。

利用无人机数码航空摄影技术手段完成厦门筼筜湖周边地区，总面积约1.64平方公里，获取筼筜湖畔范围内约1.64平方公里真彩数码航片，获取筼筜湖畔范围内约1.64平方公里1：1000数字线划图（DLG），生产数字高程模型（DEM），生成厦门筼筜湖周边地区数字正射影像图（DOM），地面分辨率优于0.1m的，成图比例尺满足1:1000的大比例尺航空影像工作任务。区域平均海拔高度约为10m，如下图1所示为测区谷歌影像。

2 技术方案

2.1 主要数据处理软件
　　※ VirtuoZo NT 软件；
　　※ VirtuoZo AATM/PATB空三加密软件；
　　※ PHOTOSHOP图像处理软件；
　　※ AutoCAD2002。

2.2 技术路线

2.2.1航空摄影：本次航摄资料利用大疆无人机搭载高分辨率数码相机拍摄。按照1:1000比例尺成图要求及无人机飞行相关要求设计飞行实施。

2.2.2像片控制测量：利用厦门CORS系统，采用RTK测量或双频接收机双参考站模式按快速静态方式施测。采用区域网布点法，按照4-5条基线，逐条航线布设平高像片控制点的原则进行布点。

选刺执行GB/T7931-2008《1:500 1:1000 1:2000航空摄影测量外业规范》；像控点的测量执行GB/T18314-2009《全球定位系统(GPS)测量规范》和CH/T2009-2010《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》。

2.2.3高程点测量：按照每幅图10-15个点全野外进行实测，内业编辑上图。

2.2.4调绘参照GB/T7931-2008《1:500 1:1000 1:2000航空摄影测量外业规范》执行。图式符号执行GB/T 20257.1-2007《1：5001：1000 1：2000地形图图式》。

2.2.5利用像片控制资料，按区域网在数字摄影测量系统的加密软件下进行空中三角测量，解算出航空摄影测量所需的控制点成果；
　　2.2.6 在数字摄影测量系统下利用空中三角测量加密的成果，通过内定向、相对定向、绝对定向，建立立体模型。
　　2.2.7 在数字摄影测量系统VirtuoZo中，采用自动匹配像方DEM格网点，人工干预修侧自动匹配中不合理的像方DEM格网点，生成格网间隔为5m*5m物方DEM，同时生成单模型DOM。单模型DOM镶嵌后按规定的图幅裁切范围进行裁切。
　　2.2.8在已裁切的1：10000 DOM基础上进行1：10000DOM图廓整饰。

2.3 航空摄影技术参数设定

2.3.1基本参数确定

航线设计需要确定的基本参数有重叠度、航摄比例尺、测区平均基准面、摄影机的焦距、影像的像幅大小。由基本参数计算出航线设计的参数有：在基准面上的飞行高度、航线位置、航向角及航线数、曝光的时间间隔、每条航线的曝光数、总曝光数。

（1）重叠度

重叠度包括航向重叠度和旁向重叠度，航向重叠60%-65%；旁向重叠30%-35%。航线设计是参照平均基准面进行的，地面起伏、影像倾斜角、飞行偏离航线、航高和地速变化等对重叠度均有影响。在航线规划时，可以预先考虑修正的是由地形起伏引起的变化，地形起伏对重叠度的影响不容忽视。地形起伏的高差对重叠度的影响如下式给出：

Px =P´x +(1- P´x)·∆h/H

Py = Py + (1- P´y)·∆h/H

Px为考虑地形起伏影响时，航向重叠度实际值；P＇X为航向重叠度理论值；Py为考虑地形起伏影响时，旁向重叠度实际值；P＇y为旁向重叠度理论值；H为飞行的相对高度（相对基准面的高度，选取基准面）；∆h为测区地形相对基准面的变化值。

（2）航摄比例尺

航摄像片的比例尺是航空摄影的一个最基本的集合要素，是指像片上的一个单位距离所代表的实际地面距离，表示为：

m = p/GSD

m为航摄比例尺；GSD为影像地面分辨率；p为单位像元大小。实际摄影比例尺在像片上处处不相等，一般采用平均比例尺表示：

m平均= f/H

f为摄影机的焦距；H为飞行的相对高度。

（3）测区基准面确定

一般情况下航测作业的基准面并非平均海面，通常需要根据测区地形特点选定的一个平面作为基准面。

h基 =（h高 + h低）

h基为平均基准面高度；h高为区域内最高点的平均高程；h低为区域内最低点的平均高程。

（4）航线设计参数

航拍飞行计划参数设置如图所示。航摄区域要生成航摄航线，必须进行航拍参数的设置。相机型号选择Canon_EOS_5D_Mark_Ⅲ，安装方式选择横放，以及任务作业时的成图比例尺为1:1000，地面站分辨率为0.1米，航向重叠率为65%和旁向重叠率60%。通过上述的参数进行自动计算出拍照间距134.4米、航线间距230.4米和相对航高384米，输入被拍摄区域地面高度约10米。最后选择航线飞行进入方向。

建立的航摄飞行计划中，航拍规划区域以外的航线延伸点为设置的转弯引导点，其位置是根据设置的最小转弯半径和航线间距生成的，目的是为更平滑的切换工作航线，本次设计最小盘旋半径为60米。航拍参数设置如图所示。

飞行计划参数设置完成后，自动生成针对本区域的航摄飞行计划，如图所示。

但起飞点和降落点需要调整。在生成的航摄飞行计划中，有四个点具有特殊意义，其中0点为设置的应急航路点点，其高度设置为作业航线高度，放置在地面站附近，并设置成无限盘旋属性；1点为航摄起飞高度修正点，其高度与航摄工作面高度一致，当无人机由垂转平后，将首先向1点导航，并将在1点进行盘旋爬升，直到高度到达任务航线高度，导向2号航路点；图中31、32点表示生成的最后两个航路点，其中31点为返航预回收点，其高度与航摄工作面高度一致，为航摄任务完成后的返航点，而32点为降落前调整点，如图所示。

航线设计一般应沿东西方向进行。考虑到学院地形的高程变化不大且范围较小，测区矩形范围偏东北-西南方位，因此本次航线设计总体以东西方向进行，航线偏向东北-西南，航带规划示意图如下图。

在飞行计划规划过程中，用户需要对飞行环境进行全方面考虑，其中飞行计划沿途的地形（高程）对飞行器的安全飞行尤其重要，飞行计划须避开可能存在的山峰地貌。如图所示，点击离线高程预览后，图中黄色曲线为飞行计划各航路点高度曲线，其可与高度曲线相对照。

(5)像控点布设

像控点测量是指根据像片上内业的布点方案，在实地根据影像的灰度和形状找到并确定像控点的位置，测量并记录该点平面坐标及其高程。目前像控作业基本采用GPS进行测量，GPS定位技术以其灵活方便、作业周期短、劳动强度低等优点广泛应用于诸多测绘领域，极大地提高了工作效率。但是像控数据的载体却仍旧停留于纸质。不少作业单位在外业像控点测量时，仍旧是由作业人员拿着纸质相片到野外根据设计的位置选点、测量, 然后在相片上刺点，并在相片反面绘制点位略图和点位说明。这样的工作模式会产生一系列的问题:(1)相片存在着洗印成本，查找和管理均不便。(2)不同的作业小组有可能会用到同一张相片，存在受相片资源限制，影响工作进度。(3)纸质的影像，不可能放得很大，影像细节常常难以辨认，影响刺点精度，甚至导致返工。同时也会带来内业判读的不便。(4)作业小组回到室内还需要重辨认、绘制，产生了重复劳动的中间环节, 也增加了成果质量不高的风险。为了解决以上问题，通过实行航测外业作业数字化，以节约成本，简化作业流程，提高成果精度，真正达到航测内外业一体化的目的。

①像控点的点位和目标要求

在内业设计阶段，对像控点的位置选取有比较严格的要求，要求平面点位选取在影像清晰的明显地物点、接近正交的线状地物交点、地物拐角点或固定的点状地物上，高程点选在局部高程变化小且点位周围相对平坦的地区，平高控制点则选在同时满足平面和高程点的要求，像控点在相邻像片上均清晰可见，并选择最清晰的一张作主刺片。内业设计人员通过软件，打开指定的影像以及相邻像片，进行布点设计，建立点号与相关像片的结合图表关系；外业工作人员携带平板电脑到外业，软件自动依据点号，打开相关像片，测量完成后，直接在软件的影像上刺点以及录入点位详细信息；最后将保存的像控点数据提交内业，做加密。

像控点的布设利用厦门CORS采用区域网布设，选刺执行CH/Z 3004-2010《低空数字航空摄影测量外业规范》；像控点的测量执行CH/T2009-2010《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》，高程采用GPS拟合高程。

控制点如布在道路上，可用红漆画红十字；如布设在泥地，则需要用腻子粉画设。所有控制点均采用GPS－RTK方式测量，坐标系统为厦门92坐标系，平面精度和高程精度需满足制作1∶1000 DOM的要求。

在内业，大致绘制确定像控点布设位置，实际点位需外业布设量测。如图为在谷歌影像上初步选取的控制点，增删、最终确定待外业根据实际情况确定。

　3 资料准备及检查
　　（1）航摄影像应反差适中、色调饱满、全幅影像及框标清晰。尽量保持各影像目视效果一致。对质量较差的影像，核实非人为因素后，应进行增强处理，包括灰度拉伸、反差与亮度处理、边缘信息增强处理等。
　　（2）读取像主点坐标，并制作航片索引图，以及摄区、航线、航片元数据文件。
　　（3）对摄区的常用文档资料和一般文档资料进行扫描，文字材料200dpi，图形300dpi，像片接合索引图300dpi。
　　4 航片匀色
　　在此次测区的航片中，不同影像的灰度（亮度、对比度和色阶）分布不一致，而单幅影像也会明暗分布不均匀，软件中的“自动匀光工具”已不能满足如此之大的灰度变化，这给DOM的后期制作带来不小的麻烦，所以我们在DOM生产工艺之中加入利用photoshop软件对所有影像进行整体匀色作业，以满足其成品色调均匀、反差适中的要求。匀色是DOM制作过程中首要步骤，它影响着每幅成品影像图的视觉效果，对其质量保证起着至关重要的作用。
　　色阶调整。计算机对图像样本量化为256级，即0－255。由于人眼视觉特征，在极值灰度附近的判断力较差，而量测仪显示设置的等高线测标均为灰度极值，因而发生矛盾。经过比较试验，将灰度输出定义在30－225之间，既满足作业员观测要求，又较少丢失影像信息。把经纠正镶嵌后生成的正射影像图色阶再调为0－255，提高影像清晰度，同时保证色调统一均衡。对于补飞像片或影像模糊像片也可以通过色阶调整使其影像直方图分布更合理。这样可以使正式产品视觉效果更接近原始真实影像。
　　对于单张影像调整，应用“直方图”功能，对于不同明暗区域进行量测，应用“曲线”调整方法，若局部影像输出的中间值均为130，则可使整幅影像都达到中间值130左右，调整时注意应先取大于200象素羽化值进行过渡，使明暗变化更加自然。
　　对相片之间（包括航向、旁向、测区）应相互比较，互为参照，目测法较简单，但准确度差，所以可对局部同名区进行直方图量测，对比其灰度分布形态、中间值和平均值，若差异较大，需再调整，直到满足灰度过渡的要求。
　　5 内业空三加密
　　5.1 航摄底片扫描
　　航摄底片我院委托广西测绘局航测遥感院完成。
　　影像应反差适中、色调饱满、全幅影像及框标清晰。尽量保持各影像目视效果一致。扫描参数的调整原则是使扫描影像的灰度直方图尽可能布满0-255个灰阶，并接近正态分布。对质量较差的影像，核实非人为因素后，应进行增强处理，包括灰度拉伸、反差与亮度处理、边缘信息增强处理等。
　　5.2 航测加密
　　由于通过外业像片控制测量，我们在航片上量取部分明显地物点的三维坐标作为像片控制点，使用VirtuoZo NT空三加密模块（AATM+PATB）进行空三加密，创建模型，能够充分利用VirtuoZo NT的自动化程度高，运算速度快的特点：
　　A.加密资料的准备，如控制像片、航摄鉴定书、野外控制点成果、布点略图等；
　　B.建立区域网的航带和影像的信息；
　　C.确定连接点的分布：在每张像片靠近像主点的垂直线上选择5个点位，每个点位附近选取3个加密点；
　　D.全自动内定向：框标量测采用全自动内定向，人工逐片检查。内定向残差不应大于±20μm；
　　E.自动提取连接点：航带间连接时，需每张像片上航向、旁向均有连接点，以保证区域网的稳定性；
　　F.连接点交互编辑：将树梢上以及纹理差的连接点移到影像纹理清晰、能够准确匹配的点位；
　　G.粗差探测：编辑连接点和地面控制点，直到完全符合要求，不存在粗差为止；
　　H.平差解算：各项粗差探测完后，引入像片变形系统误差改正、地球曲率和大气折光改正等项进行光束法严密平差解算。
　　加密人员利用全数字摄影测量工作站的自动空三加密方法作业，将其观测后生成的pcf文件，直接加在自动相对定向成果产生的pcf文件之后，同步代入绝对定向之中。其控制点坐标位置将在影像中以特定的标记显现出来，此过程完全省去人工在立体影像上查找控制点的位置。而加密作业员在提供控制点的坐标数据之外，同时提供一套加密过程中控制点的影像文件，可通过屏幕拷贝得到带控制点号的一组jpg文件，使定向作业员可同时对立体影像上控制点点位与加密成果进行比较观测，检查其一致性，省去用多张像片找刺孔，看立体的过程，不仅大大提高定向的精度，也同时提高了工作效率。减少了因仪器设备不同所造成的系统误差。同时大大降低不同作业员观测时造成的偶然误差，使数据成果以点对点形式直接使用，减少重复作业，操作简便。
　　值得注意的是：城区控制点，由于点位清楚明显，可提供单个像片屏考点，而山区控制点位置不清，地物变形大，应提供多个角度像片加密屏考点，以便于作业员判读识别。
　　6 数字高程模型（DEM）生产
　　DEM数据是制作DOM的基础，是生成等高线以及正射影像的数据来源。同时是人工干预最多的一项工作。
　　在空三自动量测和区域网平差结束后，直接使用系统提供的创建立体模型的功能，自动建立测区内所有的立体模型，自动设置各模型的所有参数，并完成定向处理。整个测区内所有模型的内定向、相对定向和绝对定向都自动完成，不再需要逐个模型进行定向。
　　对每个模型检查相对定向和绝对定向，如不满足以下限差要求，需重新进行定向，直到满足要求为止。
　　相对定向：标准点位残余上下视差不大于0.015mm，个别不得大于0.02mm。
　　绝对定向：平面坐标误差不大于0.8米，个别不得大于1米；高程定向误差不大于0.35米。
　　进行地貌特征要素的采集
　　地貌特征要素指能反映地貌特征的点、线、面以及建立DEM所需的散点等要素。
　　建立立体模型后，要根据加密点的分布情况，确定特征点、特征线和特征面的采集范围，采集范围不得超过加密点的连线外20米。特征要素的采集以图幅为单位存储，采集范围为图幅内图廓范围外扩10米，图幅内要注意模型之间特征要素的接边。
　　在立体测图模块中，根据模型区域的特点，分别采集水涯线、山脊线、山谷线、坡度变换点、陡坎上沿线、陡坎下沿线、散点、平坦区域的范围线、水域范围等特征要素。
　　由于城市建筑密度比较大，在城区要尽可能多采集筑物之间的空地里的散点、街道边沿线、庭院、操场的范围线等。对于湖泊、水库等面状区域，按同一高度进行采集。
　　利用采集的特征点、特征线和特征面构TIN，生成图幅物方中格网DEM，中格网间距为5米。用DEMMAKER的编辑命令漫游检查DEM点与每个模型的吻合情况，对DEM点与模型不吻合的区域增加特征点、特征线和特征面，使每个格网点都贴近地表。对图幅内每个模型格网点检查合格后即可导出图幅特征要素文件。
　　总之，DEM是基础数据，直接影响到等高线生成质量，以及正射影像的纠正精度，而且其价值是长期的。所以对其生成工艺的控制是最为关键的。
　　7 DOM生产与镶嵌
　　7.1 单航片DOM数据范围确定
　　利用生成的DEM数据对影像进行正射纠正，DOM地面采样分辨率为0.1米，以GeoTIFF格式保存。航片纠正范围应在定向点以内，最大范围不应超过像片上控制点连线外20米。相邻航片纠正范围应有一定的重叠度，以保证相邻像片DOM之间保留100像元以上的重叠。
　　数字正射影像图（DOM）是利用数字高程模型（DEM），利用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，而要得到一幅标准图幅DOM地图，需多个像对的正射影像进行拼接镶嵌，所以DOM的质量由镶嵌工艺决定。由于多个影像灰度和摄影角度不同，使接边复杂程度远大于线划图接边。不仅包含地物几何坐标的拼接，同时影像色彩（灰度）的过渡会影响正射影像视觉的整体效果。
　　7.2 自动镶嵌和手工镶嵌
　　对黑白山区影像作业时，所采用正射影像是经过DEM拼接后数据生成的，从而保证了精度。航向多采用自动方法同时对多像正射影像对进行自动镶嵌，由于地物少，接边时灰度过渡效果好，而其投影差基本改正，所以能在精度要求下高效完成，而旁向拼接时，由于上下航线投影变化大，不进行人工干预，经常会在接边处产生重影、模糊。采用手工拼接方法，精度及影像效果较好。
　　对彩色城区影像工作时，必须全部采用手工拼接，由于城区地物多，且对高大建筑无DEM的改正，因此，其投影差无法消除，而自动拼接时，计算机的拼接线较随意，其过渡值也较大。所以拼接地区重影不能消除，且高大建筑的影像也易受损失。我们的作业方法是：①选择较小的羽化值10－30象素为拼接过渡。②拼接线取近似直线的平滑曲线效果最好，避免取小角度折线。③避闪高大建筑物。④定义作业区时应考虑拼接线的走向，加大选取范围。⑤对无法消除的拼接缺损应用单模型正射影像进行修补。⑥由于未对地物采集DEM数据，也就不对其影像进行纠正，所以地物影像不是正射影像，高楼投影差较大，正射影像orl生成采用最近顶点法，即选取靠近中心的影像，减小投影差，并减少高大建筑物对其它地物遮挡，保存更多地面信息，同时有利于人工拼接线的选取。
　　7.3 正射影像匀色
　　由于我们前期对航片进行了匀色，对于我们后期正射影像的匀色工作相对减少，其匀色方法于航片匀色一致都是在PHOTOSHOP进行这里我们就不重复说明了。
　　8 结束语
　　数字正射影像图大规模的制作与应用将是加快“数字厦门”的信息化建设的进程，同时也是“数字城市”发展的必然趋势，为正在建设中的现代化提供有力的信息支持和信息保障。