聶敏莉

摘 要：該文以西安市航天城某區(qū)域為試驗區(qū)，旨在通過無人機技術(shù)及地面三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方式進行城市小區(qū)域快速生產(chǎn)高精度DOM進行探討?；跓o人機數(shù)據(jù)處理獲取高精度平面位置的同時利用三維激光掃描點云數(shù)據(jù)提供的大量外業(yè)相控點進行空三測量，再結(jié)合地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)修正空三生產(chǎn)出的DSM點云數(shù)據(jù)，進一步提高高程精度。在一定程度上解決外業(yè)布設(shè)相控點的難度大，安全性低、有可能返工以及無人機高程精度不足的問題，為小區(qū)域范快速生產(chǎn)高精度DOM中提供可行性方案。

關(guān)鍵詞：無人機 三維激光掃描 DSM DEM DOM

中圖分類號：P2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0092-02

1 緒論

在測繪行業(yè)的今天，如何快速準(zhǔn)確的獲取更新現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一直是行業(yè)關(guān)注的主要問題。在獲取小區(qū)域地形數(shù)據(jù)方面，傳統(tǒng)航測飛行由于其規(guī)劃較復(fù)雜，天氣影響、需專業(yè)操控手等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取困難，而無人機的靈活、便捷以及成本低等特點，對于傳統(tǒng)的航測體現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢。但無人機數(shù)據(jù)的平面精度較高而高程精度相對較差[1]。地面三維激光掃描技術(shù)采用的非接觸式高速激光測量方式，它的實時、動態(tài)、高密度和高精度等特性在小區(qū)域地形數(shù)據(jù)獲取方面也尤為突出，地面三維激光掃描技術(shù)恰好能夠有效地獲取高精度的高程數(shù)據(jù)[2]，恰好能夠有效地作為無人機數(shù)據(jù)生產(chǎn)高精度DEM和DOM的有力補充。

2 總體方案

總體方案見圖1。

3 實驗概況

測區(qū)位于陜西省西安市城區(qū)南部航天城附近的一塊舊城改造區(qū)域，此區(qū)域地形較為平坦，地物較為復(fù)雜，面積約3.2 km2。該次試驗采用RTK測量了8個控制點，控制點主要用于三維激光掃描數(shù)據(jù)的絕對定位，原則上3個控制點即可，剩余控制點用于數(shù)據(jù)精度的檢核。

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進行測量，無需反射棱鏡，對掃描的目標(biāo)不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠[3]。該次三維激光掃描實驗采用的是Focus3D 120型三維激光掃描儀，尺寸為240×200×100 mm3，重5 kg，有內(nèi)置相機，其掃描速度為976000點/s，可測量距離154.3 m，每站2～5 min。其特點是快速、輕便、自動校準(zhǔn)和全自動測量。該次三維激光掃描實驗儀器進行數(shù)據(jù)采集4個h，共掃描52站。

該次無人機實驗采用的是測圖鷹microdrones md4-1000四旋翼垂直起降小型自動駕駛無人飛行器系統(tǒng)，其搭載的相機型號為SONY_α7。此無人機航行時間最長為70 min，爬升速度為7.5 m/秒，巡航速度為15m/s，抵抗風(fēng)力9m/s，飛行高度最大1000 m，飛行半徑1000 m。此無人機搭載的SONY_α7的像幅大小為6000×4000，像素大小為5.97 μm，焦距為36.33 mm。該此無人機航拍飛行試驗共飛行一個架次，時長約15 min，共拍攝5條航線，136張航片。拍攝期間風(fēng)力較大，考慮無人機姿態(tài)問題，故將拍攝航線設(shè)置較密，曝光時長縮短。

4 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集與處理

該次試驗采用三維激光掃描技術(shù)解決了很多復(fù)雜區(qū)域測量員難以達到導(dǎo)致相控點獲取困難的問題，同時也避免了相控點測量時的不安全因素的發(fā)生。采用的點云數(shù)據(jù)處理軟件為Focus3D專用的SCENE軟件，此軟件主要功能為進行點云數(shù)據(jù)的去噪、拼接以及量測等。

文中三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的基本步驟為：

（1）點云過濾。計算機可自動刪除離散點，離散參數(shù)可設(shè)。

（2）點云拼接。拼接精度檢查，并根據(jù)誤差數(shù)據(jù)調(diào)整拼接。拼接后的點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)為相對坐標(biāo)。

（3）RTK控制點引入配準(zhǔn)。導(dǎo)入編輯好的只有三個控制點的文件，再進行一次配準(zhǔn)使其點云數(shù)據(jù)的每個點都具有和控制點一樣的絕對坐標(biāo)。

（4）精度檢查。精度檢查分兩部分，一部分為軟件自身進行點云配準(zhǔn)的精度檢查，一部分為根據(jù)現(xiàn)場多測得其他RKT作為檢核點進行坐標(biāo)對比檢查。

通過點云軟件自身測得點云的拼接的精度誤差最大為1.1 mm，最小的為0.2 mm。引入控制點后，與多采集的5個控制點數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)的誤差對比，五個點分別為1號點Δx=0.5 cm，Δy=0.7 cm，Δz=0.1cm；2號點Δx=0.4 cm，Δy=0.2 cm，Δz=0.3 cm；3號點Δx=0.3 cm，Δy=1.1 cm， Δz=0.6 cm；4號點Δx=0.8cm，Δy=0.3 cm，Δz=0.4 cm；5號點Δx=1.3 cm，Δy=0.4 cm， Δz=0.8 cm；可見誤差基本均小于2 cm，可以用于提供控制點數(shù)據(jù)。（5）點云輸出。將關(guān)鍵點云區(qū)塊或整體點云導(dǎo)出成通用格式，如pts、las等，目的用于下一步用點云數(shù)據(jù)修正DPGrid生成的DSM文件。

5 無人機數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

無人機由于自身的特點導(dǎo)致了其數(shù)據(jù)質(zhì)量不如傳統(tǒng)飛機。主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

（1）內(nèi)業(yè)工作量大。無人機遙感屬低空遙感，其影像分辨率和空間分辯率高，由于像幅小使得像片數(shù)量多，造成內(nèi)業(yè)工作量大，效率低等問題，用傳統(tǒng)的航測軟件效率低下[4]。（2）姿態(tài)穩(wěn)定性差。無人機在飛行時由飛控系統(tǒng)自動控制或操控手遠程遙控控制，由于自身質(zhì)量小，慣性小，受氣流影響大，俯仰角、側(cè)滾角和旋偏角較傳統(tǒng)航測來說變化快，而且幅度遠超傳統(tǒng)航測規(guī)范要求。（3）排列不整齊。受順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)影像大，加上俯仰角和側(cè)滾角的影響，航帶的排列不整齊，主要表現(xiàn)在重疊度的變化幅度大，甚至可能出現(xiàn)漏拍的情況。（4）旋偏角大。受側(cè)風(fēng)和不穩(wěn)定氣流影響，相鄰兩張影像一般容易出現(xiàn)旋偏角變化特別大的情況。（5）影像畸變大。相對專業(yè)航攝儀來說，小數(shù)碼影像（普通單反拍攝的）畸變大。

此次實驗無人機數(shù)據(jù)處理采用的軟件均為適普公司生產(chǎn)的EasyMosaic快速拼接系統(tǒng)和DPGrid數(shù)字?jǐn)z影測量網(wǎng)格系統(tǒng)。 EasyMosaic主要用于飛行質(zhì)檢及快速生產(chǎn)測區(qū)快視圖，它可以快速檢查測區(qū)航拍質(zhì)量及有無漏飛等情況。它無需控制點數(shù)據(jù)，僅利用概略POS快速拼接測區(qū)影像圖并進行航飛質(zhì)量檢查功能，能準(zhǔn)確的判斷影像的航飛質(zhì)量及重疊度，旋轉(zhuǎn)角等功能的測算。DPGrid第二代航測處理軟件，不僅可以用于傳統(tǒng)航片的處理，也可用于無人機數(shù)據(jù)處理。

通過該次Easymosaic飛行質(zhì)檢的結(jié)果信息可知，這次飛行的136張片子的航向重疊度最小在82.67%，最大重疊度在90.12%，旁向重疊度最小為73.34%，最大為81.75%，旋偏角最大23.59。由于重疊度過大，因此將5條航帶抽為3條航帶，同時剔除航片中個別旋偏角過大的片子，最后保留了45張航片再進行了飛行質(zhì)檢，最后質(zhì)檢結(jié)果最小的航向重疊度為63.21%，最小的旁向重疊度在32.32%，滿足要求。因此，在后續(xù)的實驗中，將這45張航片作為實驗數(shù)據(jù)。

DPGrid無人機數(shù)據(jù)處理基本步驟為：

（1）參數(shù)設(shè)定及航帶設(shè)置。DPGrid下的參數(shù)設(shè)定主要指相機參數(shù)的設(shè)定，POS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的編輯，航帶調(diào)整以及控制點文件編輯。

（2）影像預(yù)處理。無人機、飛艇等搭載的都屬于非量測相機，一般要在處理之前先做畸變改正。

（3）空三自動匹配與挑點。自動挑點針對程序匹配后的同名點建立相互連接關(guān)系，進行標(biāo)準(zhǔn)點位保留點個數(shù)的篩選，此步驟嵌入了平差功能，初步剔除了測區(qū)內(nèi)粗差大的連接點。

（4）空三交互編輯?？杖换ゾ庉嬍且粋€不斷平差和調(diào)點的循環(huán)過程，循環(huán)進行到像點中誤差和最大像點殘差以及控制點誤差都達到標(biāo)準(zhǔn)即可，但最理想結(jié)果為直到迭代后誤差不再變小為止。

（5）點云控制點引入。設(shè)置編輯好的控制點文件，起初的四個控制點必須要人工選定，其余的控制點可通過軟件的預(yù)測控制點功能自動預(yù)測出其位置，只需要認(rèn)為調(diào)點即可。該次用于空三解算的控制點數(shù)據(jù)全部來自于地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)，提取的參與平差的控制點共12個。

（6）平差解算與空三交互編輯。在引入控制點后，進行了PATB光束法區(qū)域網(wǎng)平差，平差后同樣刪除錯點或調(diào)整不準(zhǔn)確的點，以及補點，然后再進行平差解算，依次循環(huán)的操作，此循環(huán)的退出條件是像點中誤差和最大像點殘差以及控制點誤差都達到標(biāo)準(zhǔn)即可。待平差結(jié)果符合要求后，輸出空三成果。

（7）創(chuàng)建DSM。利用輸出空三成果，在加密點的基礎(chǔ)之上進行密集匹配，生成DSM點云像點文件。建議此時文件先不進行濾波處理，可通過地面三維激光掃描的點云文件修正此文件后，再進行濾波即可。

（8）DSM修正。通過EPS地理信息工作站的點云模塊的DSM修正功能，將DSM中的點在地面三維激光掃描文件中進行修正，修正原理是根據(jù)DSM的點的X，Y值匹配點云中的X，Y坐標(biāo)值，將地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)的Z值替換為DSM點的Z值。

（9）DEM生產(chǎn)及編輯。通過替換后的DSM文件生產(chǎn)DEM，并通過DPGridProxy.exe軟件的DEM濾波功能再進行濾波處理，加上人工編輯，進一步提高DEM的精度。

（10）DOM生產(chǎn)及編輯。

6 精度分析

隨即抽取的4個相對的169個加密點的絕對定向后的平面位置及高程誤差區(qū)間見表1 。

隨即抽取的4個相對的平面位置及高程中誤差如表2所示。

通過立體相對測得8個控制點的高程坐標(biāo)與RTK布設(shè)的8個控制點的坐標(biāo)對比結(jié)果見表3。

7 結(jié)語

由精度分析結(jié)果可見，通過此方法獲取的DEM和DOM的平面位置誤差及高程位置誤差基本符合1∶1000比例尺航空攝影測量的規(guī)范要求。因此，結(jié)合無人機技術(shù)及地面三維激光掃描技術(shù)快速制作小區(qū)域高精度DEM和DOM的方案可行。展望一：目前研究的三維激光掃描數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍還停留在人工挑選相控點層面，是否可實現(xiàn)計算機自動挑點有待試驗。展望二：試驗區(qū)為地形較為平坦，試驗效果較好，也基本滿足1∶500比例尺地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)要求，但針對于山區(qū)，地勢起伏較大的地形效果如何還需做進一步試驗。

參考文獻

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