沈泉飛,潘九寶,王 瑋,黃明偉

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

0 引 言

真正射影像(True Digital Ortho Map, TDOM)是利用數(shù)字表面模型(Digital Surface Model, DSM)，采用數(shù)字微分糾正技術(shù)，糾正地面上每一點(diǎn)的投影差，逐像素鑲嵌而成的正射影像圖。影像上每一點(diǎn)都保持垂直視角，解決了城區(qū)大比例尺DOM鑲嵌困難及地表信息遮擋等問題。

正射影像鑲嵌是傳統(tǒng)DOM制作中一道重要的手工操作工序，需要逐張單片正射影像編輯鑲嵌線。無人機(jī)影像像幅小，數(shù)量多，編輯鑲嵌線費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而真正射影像是基于DSM逐像素進(jìn)行正射糾正并鑲嵌的，糾正完成后即生成TDOM，省卻了鑲嵌線編輯的步驟。因此，基于無人機(jī)系統(tǒng)來獲取高重疊影像就成為目前TDOM制作的最佳選擇[1-3]。本文將探討基于無人機(jī)系統(tǒng)的真正射影像(TDOM)制作方法，并進(jìn)行精度檢測。

2 基于無人機(jī)的TDOM制作方法

TDOM的制作需要針對(duì)任務(wù)要求、無人機(jī)的特性以及遙感影像處理系統(tǒng)的特點(diǎn)等情況來具體實(shí)施，主要由航攝參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)獲取、空三加密、DSM計(jì)算和正射糾正五部分構(gòu)成，其每一步驟的處理都是影響TDOM精度的關(guān)鍵。基于無人機(jī)系統(tǒng)的TDOM制作關(guān)鍵流程如圖1所示。

圖1 基于無人機(jī)系統(tǒng)的TDOM制作基本流程

2.1 航攝參數(shù)設(shè)計(jì)

航攝參數(shù)設(shè)計(jì)是要達(dá)到針對(duì)任務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)航攝區(qū)域的完整覆蓋。

2.1.1 地面分辨率

地面分辨率是航攝參數(shù)設(shè)計(jì)的首要考慮因素，過高的地面分辨率會(huì)使影像數(shù)據(jù)量增大，進(jìn)而增加后期影像處理的工作量，降低效率。若分辨率達(dá)不到要求，則會(huì)導(dǎo)致某些地物的重要細(xì)節(jié)無法判讀或判讀錯(cuò)誤，從而使得最終成果達(dá)不到規(guī)范要求的精度[4]。航攝分辨率應(yīng)當(dāng)優(yōu)于成圖的地面分辨率。

2.1.2 航高

由于無人機(jī)航攝數(shù)碼相機(jī)一般為定焦鏡頭，假設(shè)相機(jī)焦距為f，地面分辨率為G，相機(jī)像元尺寸為μ，則航高H計(jì)算公式為：

H=G×f/μ

(1)

2.1.3 影像的重疊度

無人機(jī)飛行姿態(tài)較差并且相機(jī)的像幅較小，為了滿足成果精度要求通常需要增大影像重疊度。影像的航向重疊度主要通過相鄰攝站間的基線長度來控制，旁向重疊度通過設(shè)置航線數(shù)目來實(shí)現(xiàn)。航向重疊度的計(jì)算公式為：

Q= 1-B/GL

(2)

式(2)中：Q為航向重疊度，B為基線長度，G為地面分辨率，L為影像寬度。

2.1.4 航攝區(qū)域劃分與航線規(guī)劃

針對(duì)較大面積作業(yè)區(qū)域，應(yīng)針對(duì)測區(qū)特點(diǎn)和無人機(jī)特性制定相應(yīng)的航攝分區(qū)，且分區(qū)間應(yīng)保持一定的影像重疊，航攝分區(qū)劃分應(yīng)盡量規(guī)則，方便后期像控點(diǎn)的布設(shè)。一般情況下，航線規(guī)劃根據(jù)地形地勢走向按照東西或南北方向設(shè)計(jì)，也可以依據(jù)海岸線、河流、高壓線等參照物設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)依靠航空技術(shù)、數(shù)碼攝影技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)相結(jié)合來快速獲取地表信息[5]，其數(shù)據(jù)獲取又分為影像數(shù)據(jù)獲取和地面像片控制點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取兩部分。

2.2.1 影像數(shù)據(jù)獲取

天氣因素會(huì)影響無人機(jī)航攝中整個(gè)影像的質(zhì)量和成果精度，應(yīng)盡量選擇無風(fēng)或少風(fēng)的天氣；其次，航攝時(shí)，要保證有充足的日照采光條件，避免影像因光線不足而畫質(zhì)暗淡。

2.2.2 像控點(diǎn)量測

像控點(diǎn)布設(shè)方案的好壞直接決定著空三加密精度的高低，是低空無人機(jī)攝影測量中影響測繪成果的關(guān)鍵步驟[6]。無人機(jī)航攝一般通過PPK(動(dòng)態(tài)后處理)技術(shù)得到較為準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)，因此只需少量控制點(diǎn)即可滿足成果精度的要求。在航攝區(qū)域邊緣和內(nèi)部布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，以控制成果精度和供精度檢驗(yàn)。

2.3 空三加密

空中三角測量是在航空攝影測量中，依據(jù)少量的野外控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行影像定向和加密的測量方法。光束法是使用最普遍的一種方法，它以共線方程作為其理論基礎(chǔ)，將一束攝影光束作為平差的基本計(jì)算單元[7]。為了快速完成測區(qū)影像的控制定位，采用POS數(shù)據(jù)加少量像控輔助進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差 。

2.4 生成高精度DSM

TDOM 是利用 DSM 進(jìn)行數(shù)字微分糾正的。DSM精度的高低是TDOM質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，也是提高工作效率的關(guān)鍵。高精度DSM要求影像的航向重疊度和旁向重疊度分別達(dá)到 80% 和 75% 以上，原則上要求基高比(B/H) 小于0.3[8]。根據(jù)攝影測量的基本原理，基高比降低的同時(shí)，高程精度也會(huì)降低。但利用多目視覺原理，通過多個(gè)像對(duì)生成的高程值，最后能夠得到精度較高的高程值。

2.5 真正射糾正

數(shù)字微分糾正是利用共線方程，根據(jù)相關(guān)參數(shù)與DEM 或 DSM，從原始非正射投影的航攝影像獲得正射影像的過程。DSM 保留了建筑物、橋梁和樹木等地表一切地物的高程信息。因此TDOM在 DSM 的基礎(chǔ)上對(duì)影像進(jìn)行幾何糾正，并重采樣最終生成TDOM，不但對(duì)地形進(jìn)行了糾正，也對(duì)地表建筑物進(jìn)行了正射糾正，消除了建筑物投影差，從而保持了垂直下視角度的地表景觀，避免了傳統(tǒng)DOM上建筑物互相遮蓋的現(xiàn)象。

3 TDOM制作實(shí)例與分析

3.1 TDOM的制作

本文以江蘇省宿遷市的特色小鎮(zhèn)—京東筑夢小鎮(zhèn)為研究區(qū)域，采用Pix4D軟件進(jìn)行了TDOM的制作。Pix4D具有體積小，部署靈活，操作簡單等優(yōu)勢，適合小范圍區(qū)域的遙感影像快速處理，是目前無人機(jī)影像處理應(yīng)用較為廣泛的軟件之一。實(shí)驗(yàn)影像數(shù)據(jù)是采用Wingtra垂直起降固定翼無人機(jī)進(jìn)行航攝。Wingtra無人機(jī)結(jié)合了固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢，既降低了對(duì)場地的要求，又有固定翼無人機(jī)一樣的續(xù)航時(shí)間長、飛行速度快等特點(diǎn)。無人機(jī)上搭載的Sony DSC-RX1RM2 相機(jī)，焦距35 mm，像幅7 952×5 304 pixel。設(shè)計(jì)航高為574 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，采用南北航線，共計(jì)3個(gè)架次20條航線，獲取影像地面分辨率為7 cm的原始影像517張。

在精度控制方面共計(jì)布設(shè)了9個(gè)像控點(diǎn)，空三加密控制點(diǎn)均方差結(jié)果如表1所示。采用8個(gè)多余像控點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，精度如表1所示，滿足制作TDOM的精度要求。

表1 空三加密檢查點(diǎn)誤差結(jié)果/m

圖2 高精度DSM(左圖)和TDOM(右圖)制作結(jié)果

空三平差完成后進(jìn)行影像自動(dòng)匹配，計(jì)算生成0.2 m格網(wǎng)間距的DSM。對(duì)于一些狹窄區(qū)域或者樹木遮擋建筑物情況，DSM上的高程值是通過高程

內(nèi)插得到的，真實(shí)的反映地面真實(shí)情況，因而可能導(dǎo)致TDOM上的建筑物邊緣存在扭曲、拉花的現(xiàn)象，因此需要對(duì)DSM進(jìn)行必要的手動(dòng)編輯。最后進(jìn)行影像正射糾正，自動(dòng)鑲嵌生成分辨率為0.1 m的TDOM。

3.2 精度分析

在ArcGIS里將檢查點(diǎn)與TDOM和DSM上點(diǎn)位的平面及高程相比較。首先通過目視檢查，可以看到檢查點(diǎn)點(diǎn)位準(zhǔn)確，與TDOM能夠完美疊加。其次通過實(shí)際點(diǎn)位誤差計(jì)算，得到其精度檢驗(yàn)結(jié)果。

平面精度如下表所示(表2)，高程精度如下表所示(表3)，其值與空三加密的誤差結(jié)果基本相符。

圖3 ArcGIS中加載TDOM和檢查點(diǎn)(左圖)和檢查點(diǎn)位置放大圖(右圖)

IDX1Y1X2Y2△X△Y△XY1348 007.9313 759 322.738348 007.9073 759 322.7040.0240.0340.0424348 509.1023 759 721.191348 509.0723 759 721.2170.029-0.0260.039……………………15346 442.6143 759 760.816346 442.6213 759 760.785-0.0070.0310.032RMS0.0310.030.043

表3 檢查點(diǎn)與DSM上高程誤差統(tǒng)計(jì)/m

4 結(jié) 語

本文探討了基于無人機(jī)系統(tǒng)的真正射影像制作方法并進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，結(jié)果表明精度與空三加密的誤差結(jié)果基本相符，說明利用無人機(jī)系統(tǒng)可以制作高精度的真正射影像。另一方面，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，加之其本身存在的成本低、效率高的特點(diǎn)，將來無人機(jī)有望取代常規(guī)航攝任務(wù)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，無人機(jī)影像具有畫幅小、重疊度高的特點(diǎn)，常規(guī)的正射影像制作方法已不能適應(yīng)現(xiàn)在的需求，而真正射影像的制作方法能夠很好的適應(yīng)無人機(jī)航攝的特點(diǎn)，因此，未來真正射影像的需求和應(yīng)用必將越來越廣泛。