李亞東，曹明蘭，李長青，閆 飛，馮仲科

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

森林經(jīng)營和區(qū)劃都需以具備良好可測量性的大比例尺地圖為依據(jù)，但由于森林地塊一般地處偏遠(yuǎn)地帶，遠(yuǎn)離人口密集區(qū)，控制網(wǎng)密度低，缺乏基礎(chǔ)測繪資料。采用傳統(tǒng)地形圖測繪的方法測量林地地形圖時(shí)，不僅效率低，且成本非常昂貴。隨著航天航空遙感技術(shù)的發(fā)展，采用遙感技術(shù)所獲取的森林正射影像圖具良好的可測量性，極大地提高了成圖效率[1-3]。但由于受到衛(wèi)星軌道高度和傳感器空間分辨率等限制，航天遙感所生成的正射影像比例尺較小，而航空遙感受機(jī)場、跑道、航線、空域管控等諸多因素影響，靈活性差、所生成的正射影像的成本較高。隨著無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與普及，利用無人機(jī)獲取高分辨率森林航空影像，再經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后可生成大比例尺森林正射影像圖[4]。與航天航空遙感技術(shù)相比，利用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)獲取森林正射影像圖，具有成本低、周期短、機(jī)動(dòng)靈活、比例尺大等優(yōu)勢。

無人機(jī)航空攝影測量需要依賴一定數(shù)量均勻分布的地面控制點(diǎn)，經(jīng)過空中三角測量解算出攝影中心精確的外方位元素，再經(jīng)過密集匹配、DEM 編輯、正射校正等步驟生成正射影像圖。由于森林地形具有一定特殊性，在林地內(nèi)采用傳統(tǒng)方法布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，存在以下問題：1）森林地塊內(nèi)林冠重疊、灌木叢生、地被物茂密，采用光學(xué)測繪儀器在林地內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)，通視性差、效率低；2）采用GPS-RTK 布設(shè)控制點(diǎn)雖不受通視條件限制，但因林冠下GPS 信號弱，移動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間經(jīng)常發(fā)生GPS 失鎖現(xiàn)象；3）在森林地塊布設(shè)的地面控制點(diǎn)受林冠遮擋嚴(yán)重，無法保證在多幅森林影像中同時(shí)可見，導(dǎo)致部分控制點(diǎn)無法用于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)。

鑒于以上幾點(diǎn)，本研究嘗試探討了一種基于PPK 技術(shù)的免控制點(diǎn)無人機(jī)森林航空攝影測量正射影像圖生成方案，并通過試驗(yàn)討論該方案的精度與效率。

1 原理與方法

無人機(jī)機(jī)載POS 系統(tǒng)集差分GPS 定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)（INS）于一體，可用于直接獲取航攝像片的6 個(gè)外方位元素，將其作為帶權(quán)觀測值引入光束法區(qū)域網(wǎng)平差，以整體求解影像的定向參數(shù)和目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)[5]。POS 系統(tǒng)所獲取的6個(gè)外方位元素中，3 個(gè)角元素是由INS 所獲取的，3 個(gè)線元素是由GPS 模塊所獲取的。但由于目前無人機(jī)搭載的POS 系統(tǒng)的精度較低，直接獲取到的數(shù)據(jù)精度低；通常需要采集大量地面控制點(diǎn)來確保最終數(shù)據(jù)解算結(jié)果的精度。

GPS PPK（Post processed kinematic）技術(shù)，即動(dòng)態(tài)后差分處理技術(shù)。是一種在數(shù)據(jù)采集作業(yè)結(jié)束后利用載波相位進(jìn)行差分處理，進(jìn)而得到精確坐標(biāo)的GPS 數(shù)據(jù)獲取和平差處理技術(shù)[6]。PPK 技術(shù)是以GPS 基站數(shù)據(jù)為參照，利用后處理動(dòng)態(tài)差分方法修正GPS 移動(dòng)站數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)攝影瞬間的攝影中心外方位元素的3 個(gè)線元素[7]。為了解決林冠下GPS 信號差、且布設(shè)的控制點(diǎn)容易被遮擋無法在照片中可視等問題，本研究采用GPS-PPK 技術(shù)獲取攝影瞬間攝影中心外方位元素的3 個(gè)相對精確的線元素（XS、YS、ZS），并用它代替原始POS 數(shù)據(jù)的線元素，再利用SFM（Structure From Motion）方法得到攝影中心精確的外方位元素基礎(chǔ)上，經(jīng)過密集匹配生成DSM，通過手工編輯和正射校正后得到了最終成果DOM。具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Flowchart of research

首先在普通測繪無人機(jī)上加裝GPS-PPK 模塊，并通檢校場標(biāo)定方法獲取到已固定好的PPK 和INS 這3 個(gè)模塊相對于相機(jī)成像傳感器中心的空間位置的改正參數(shù)[8]。外業(yè)利用標(biāo)定后的無人機(jī)獲取高重疊率的森林航空影像，內(nèi)業(yè)將原始POS、照片和PPK 的無人機(jī)端和地面端數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過GPS-PKK 解算得到精確線元素[9-10]，利用改正參數(shù)改正后與原POS 數(shù)據(jù)中的角元素組合成新的外方位元素，再利用SFM（Structure from motion）的方法[11-12]得到最后精確的外方位元素，再利用基于面片的多視影像匹配（Patch-based multi-view stereo，PMVS）方法[13]進(jìn)行密集匹配得到密集點(diǎn)云，再利用插值的方法生成DSM，通過手工編輯去掉林層和建筑物得到DEM，最后利用DEM 對原始影像進(jìn)行正射校正得到DOM。

2 結(jié)果與分析

本研究試驗(yàn)區(qū)設(shè)在北京市門頭溝區(qū)潭柘寺森林公園，位于北京西部潭柘山麓。試驗(yàn)設(shè)備采用固定翼無人機(jī)，加裝了雙頻PPK 模塊、搭載了Canon 5D MarkII 數(shù)碼相機(jī)，鏡頭焦距為35 mm，成像傳感器像素大小為6.41 μm。設(shè)置飛行高度200 m、地面分辨率3 cm、航向重疊度80%、旁向重疊度65%，并在測區(qū)附近按均勻分布原則布設(shè)了18 個(gè)檢查點(diǎn)（其中16、17、18 號點(diǎn)因不在測區(qū)內(nèi)，未使用）。檢查點(diǎn)分布如圖2所示。采用CORS 與全站儀結(jié)合的方法，測量了控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)的CGCS2000 高斯投影3°坐標(biāo)。

圖2 研究區(qū)地理位置Fig.2 Geographical position of study area

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的硬件為臺I7-6700HQ處理器、NVIDIAGeForce GTX980M 獨(dú)立4G 顯卡、16G 內(nèi)存的ALIENWARE 工作站，軟件配置是在Windows10 64 位操作系統(tǒng)上，基于VS2017 平臺利用C++調(diào)用了RTKLIB 開源庫[14]所提供的API進(jìn)行了PPK 數(shù)據(jù)的解算。借助Agisoft PhotoScan軟件[15]進(jìn)行SFM 解算并得到了DSM，采用SimActive Correlator 3D 軟件，進(jìn)行DEM 手工編輯和正射影像的生成。

在配置以上軟硬件的同一臺工作站上，對同一測區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別采用全站儀布設(shè)像控點(diǎn)方案（A 方案）、原始POS 免控制點(diǎn)方案（B 方案）及本研究提出的基于PPK 免控制點(diǎn)方案（C 方案）等3 種方案進(jìn)行對比試驗(yàn)，并利用15 個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行了精度檢查。3 種方案的真誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 3 種方案的檢查點(diǎn)點(diǎn)位精度對比?Table 1 Comparison of detection point location accuracy of three schemes

3 結(jié)論與討論

為進(jìn)一步討論3 種方案在制作森林正射影像方面的精度與效率，本研究對3 種方案在外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)、外業(yè)航空攝影、內(nèi)業(yè)像控點(diǎn)刺點(diǎn)、內(nèi)業(yè)平差解算等不同環(huán)節(jié)所用時(shí)間和最終獲得的DOM 的點(diǎn)位中誤差進(jìn)行了對比，結(jié)果如表2所示。

由表2對比分析可以看出，由于A 方案采用了測繪攝影測量中的區(qū)域網(wǎng)平差的標(biāo)準(zhǔn)，因此其精度最高，能達(dá)到山地1∶1 000 的地形圖航空攝影測量的精度要求[16]。但由于需要布設(shè)一定量均勻分布的控制點(diǎn)，因此也是耗時(shí)最多的一種方案。由于森林航空影像與普通攝影測量航空影像所關(guān)注的內(nèi)容不同，在實(shí)際森林航空攝影工作中采用A 方案時(shí)具有以下幾點(diǎn)不足：1）外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)環(huán)節(jié)，需要攜帶大量的專業(yè)儀器設(shè)備，增加外業(yè)人員的負(fù)重。2）在林地內(nèi)布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)受通視條件差和GPS 信號弱等限制，降低了工作效率。3）在高郁閉度的林地，很難找到足夠數(shù)量的分布合理的控制點(diǎn)布設(shè)位置，無法確保所布設(shè)的控制點(diǎn)都能在航測影像上可見。4）內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)環(huán)節(jié)需要大量專業(yè)性強(qiáng)的人員、屬勞動(dòng)密集型操作，對刺點(diǎn)人員的攝影測量知識要求較高，提高了時(shí)間和人力成本。5）工藝流程復(fù)雜，外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理在不同的工作環(huán)境下由不同的團(tuán)隊(duì)需要1～2 個(gè)工作日才能完成，導(dǎo)致時(shí)間成本高，而且不利于成果的質(zhì)量控制。

表2 3 種方案的數(shù)據(jù)采集與處理耗時(shí)對比?Table 2 Comparison of three schemes in data acquisition and processing time

B 方案由于采用的是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)軌跡估計(jì)（SFM）的方法，不需要控制點(diǎn)直接使用原始POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，因此用時(shí)最少。但由于原始POS 數(shù)據(jù)的攝影中心外方位元素的線元素來自飛控自帶的GPS 數(shù)據(jù)，未經(jīng)過差分處理，因此精度較低，最終得到的成果精度也達(dá)不到1∶10 000比例尺地形圖航空攝影測量的精度要求[17]，無法滿足森林資源二類調(diào)查的用圖精度要求[18]。

C 方案是在B 方案的基礎(chǔ)上，以PPK 解算出的攝影中心外方位的線元素代替了原始POS 中的線元素。由于需要進(jìn)行后差分解算，C 方案的耗時(shí)比B 方案多出6%，但其精度高于B 方案，能夠達(dá)到山地1∶2 000 的地形圖航空攝影測量的精度要求，滿足森林資源二類調(diào)查的用圖精度要求。在數(shù)據(jù)處理時(shí)間上，C 方案比A 方案節(jié)省了45%左右。綜合考慮精度與效率，C 方案的表現(xiàn)最優(yōu)。

4 結(jié) 論

PPK 技術(shù)與無人機(jī)相結(jié)合的方法，在森林航空攝影測量中具有更廣闊的應(yīng)用前景。1）PPK 技術(shù)的作業(yè)半徑大，可達(dá)到50 km 的作業(yè)半徑，適合無人機(jī)森林航空攝影，對于減輕森林調(diào)查外業(yè)工作的儀器攜帶量具有重要意義。2）PPK 技術(shù)的通訊頻率高，采用事后差分處理技術(shù)，無人機(jī)端與地面基站間不需要實(shí)時(shí)保持鏈接，不會發(fā)生由于無人機(jī)高速飛行導(dǎo)致的GPS 信號丟失和因林冠遮擋導(dǎo)致的GPS 失鎖等問題。因此對于在林地內(nèi)減少設(shè)置基站數(shù)量具有重要意義。3）與傳統(tǒng)的布設(shè)像控點(diǎn)方案相比，無人機(jī)搭載PPK 模塊方式數(shù)據(jù)采集并制作正射影像的方案不僅節(jié)省了外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)與測量時(shí)間，至少也能節(jié)省30%的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理耗時(shí)。在成果精度方面，PPK 技術(shù)與無人機(jī)相結(jié)合的方法能夠達(dá)到《地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范（GB/T 13990—2012）》規(guī)定的1∶2 000 比例尺精度，能夠滿足《森林資源二類調(diào)查的用圖精度要求》規(guī)定的精度要求。因此，PPK技術(shù)在無人機(jī)森林航空攝影測量中的應(yīng)用，無論在精度還是效率方面都具有明顯優(yōu)勢。隨著我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)日益完善，無人機(jī)搭載PPK 技術(shù)將在森林監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

本研究從原理與流程上給出了PPK 在林業(yè)攝影測量中的應(yīng)用免像控點(diǎn)的方案，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。但數(shù)據(jù)處理過程中使用了多種第三方軟件，無形中提高了推廣應(yīng)用的成本。下一步將圍繞著如何將PPK 數(shù)據(jù)處理、SFM 算法與林業(yè)的業(yè)務(wù)邏輯整合形成專門的林業(yè)攝影測量軟件，以降低推廣應(yīng)用成本等方面展開研究。