浅谈无人机低空摄影测量在南水北调工程中的应用
浅谈无人机低空摄影测量在南水北调工程中的 浅谈无人机低空摄影测量在南水北调工程中的应用 无人机低空摄影测量
韩志晟 （北京苍穹数码测绘有限公司 北京市朝阳区东土城路甲 14 号建达大厦 1915 100176） 摘要： 本文介绍了低空摄影测量在地形测量的应用尝试及数据处理方法。 结合现代航空摄影 测量技术的发展， 介绍了无人机低空摄影测量的一般作业流程， 分析了无人机低空摄影测量 的特点。阐述了苍穹公司的无人机摄影测量数据自动处理平台DP-UAV在数据处理上的优势， 并结合实际案例分析，论证了无人机摄影测量用于大比例尺地形测图的可行性。 关键词：低空摄影测量；无人机；南水北调。 按照南水北调中线工程带状地形图数字化采集规程规定， 对南水北调中线工程带状地形 图进行数字化采集，生产数字线划图（DLG），在此基础上经编辑整理，建立南水北调中线 工程（带状）地形数据库，生产数字高程模型（DEM）。首先必须获得最新的带状地形图， 地形图的获取方法有多种。传统的测量方法是全站仪测图，或者全站仪配合RTK进行测图， 这种测图方法虽然技术比较成熟，且有较高的精度，但是其作业效率和自动化程度低，不仅 消耗大量人力和物力，同时地形图难以实时更新。 近年来， 在地形图测量上运用了比较先进的数字航空摄影测量技术， 在一些工程建设领 域受到了广泛的研究。其特点在于： （1）通过拍摄照片来获取所要调查区域整体信息，信息采集量大，时效性高； （2）可提供大范围的地形测量结果； （3）现场作业相对少，省时省力； （4）以非接触的方式实现三维测量，特别适用于场地条件通行困难，或者传统测量技 术实施困难的工程测量。 数字航空摄影测量又分为传统的载人机航空摄影测量和新型的无人机低空摄影测量。 目 前，对于高分辨率空间数据的获取渠道仍然局限于外界采购，例如国外遥感卫星影像、大飞 机航拍等。 现有的卫星遥感和航空遥感技术虽然能够获取大面积的地理信息， 但因卫星受回 归周期、高度等因素影响，遥感数据分辨率和时相难以保证；载人飞机受空域管制和气候等 因素的影响较大，缺乏机动快速的能力，同时使用成本也比较高，在满足精细城市三维信息 获取的要求方面存在一定不足。因此，不受场地条件制约，又有较高精度且不受航空管制的 高效、低成本的无人机低空摄影测量技术具有广泛的应用领域和前景。 1 无人机摄影测量 1.1 无人机航空摄影的作业流程 无人机摄影测量一般一个小组配备三人左右即可， 航拍任务结束后对数据进行检查， 合 格后即可进行后续
的数据处理工作。其作业流程如下图所示：
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韩志晟：Email:[email protected] 手机：[1**********] 1
1.2无人机低空摄影测量的优缺点 UAV(Unmanned Air Vehicle，无人驾驶航空飞行器)遥感平台的出现为应急需求提供了 一种新的技术途径。可实现危险区域目标图像实时获取、空中侦察与目标搜索、环境监测、 有毒污染地区空中监测等多种载人机无法完成或不易完成的任务。 相对传统航测的优势具体体现在以下几个方面： 1）精度上的优势 传统航空摄影测量精度比较低，精度一般在1m左右。无人机为低空飞行，飞行高度在 50m-1000m，属于近景航空摄影测量，摄影测量精度达到了亚米级，精度范围在0.1-0.5m。 2）实时性优势 无人机具有灵活机动的特点，受空中管制和气候的影响较小。 3）天气和成本优势 无人机一般在云层下面作业，受天气影响小,不需要飞行员，且飞行设备和摄影设备比 较便宜。 4）灵活性和安全性 不要求专用起降场地，升空准备时间短、操作控制较容易；能够在对人生命恶劣环境下 直接获取影像，即便是设备出现故障，发生坠机也无人身伤害。 5）分辨率高、多角度 无人飞行器携带的高精度数码成像设备具备垂直或倾斜摄影的技术能力， 不但能竖直拍 摄获取平面影像， 还能低空多角度摄影获取建筑物多面高分辨率纹理影像， 这点弥补了卫星 遥感和普通航空摄影获取城市建筑物时遇到的高层建筑遮挡问题。 同时相比传统的大飞机航空摄影测量也存在一些劣势： 1）非专业相机 主要表现在相机存在镜头畸变、相机内参数稳定性差 2）获取影像像幅小、基高比小 小像幅立体作业不经济、基高比变小，解算精度受到影响 3）配套软件滞后 由于无人机摄影测量发展时间短， 数据处理软件滞后， 一般采用传统摄影测量软件进行 处理，但作业效率极低，很多情况都无法获得需要的解算精度。 DP2 DP-UAV 简介 针对无人机摄影测量非专业相机、像幅小、姿态不稳定、重叠度大等特点，苍穹公司自
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主研发了一套无人机摄影测量数据自动处理平台DP-UAV，它的基本功能如图2所示。 无人机 影像数据 相机标定 参数 相机 POS 数据 控制点 数据
DP-UAV 全自动处理系统
带颜色三 维点云
DEM
正射影像
图2 DP-UAV系统功能
1）系统的特点及优势 采用特征匹配，适用于大偏角影像、大高差地区空三和DEM生成一体化，所有点参与光 束法平差， 每片像点5千-2万个， 空三结果直接生成DEM， 较传统空三增加了上百倍的观测值， 系统具备更强的粗差检测能力自标定，不需要严格相机参数处理，自动化程度高，支持多核 CPU。 2）效率测试 采用不同地面类型无人机影像
数据20套， 每套数据像片数150~800张不等， 航高500~800 米，佳能400D相机，焦距24mm，像片大小3888x2592像素。 （1）运行环境，Intel 4核 CPU主频2.33GHz、内存3G； （2）运行模式全自动批处理； （3）平均处理速度每分钟2-3片； （4）成果（彩色的三维点云、空三加密点、DEM、正射影像）。 实例分析 3 实例分析 图3是用DP-UAV软件进行航测数据处理的成果，某地区338张像片，耗时147分钟，自动 生成136万物方点，DEM和正射影像。
图3 (左)彩色的点云
(中) DEM
(右) 正射影像
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飞行区域大小---6×4 平方公里；获取方式：无人飞机，航高500米；使用相机：canon 450D；获取时间：某日上午；天气状况：晴朗；获取的影像：共1338张，15航带。 同时在现场实际布设控制点40多个，采用RTK进行测量，将测量坐标与无人机航测坐标 进行对比，结果如表1所示。
表 1 控制点计算值与测量值差值
点号 J1 J11 Y11 J3 J5 J7 J12
类型 check check check control control control control
dx/m 0.087 -0.010 -0.097 0.103 0.049 -0.164 -0.097
dy/m -0.105 0.319 -0.009 -0.016 0.162 0.155 0.263
dz/m -0.344 -0.093 -0.024 0.267 -0.114 0.008 0.080
通过表1数据对比可以看出，通过DP-UAV处理后的无人机摄影测量成果已经达到了高精 度要求，满足地形图测量及一般工程测量的基本要求,验证了该软件应用于大比例尺航测数 据处理的可行性。 传统的航空摄影测量数据处理一般处理数据的流程是：数据预处理、影像匹配、空三加 密、数字地面模型以及正射影像的生成。尽管作业流程成熟，但是作业效率低，快速拼接的 全景影像无精度不可量测。 而且在数据处理过程中需要使用野外控制点并通过空三加密求解 外方位元素，而野外控制点的测量历来是一项工作量大、作业成本高的测量过程，特别是在 荒漠、森林、高山等困难地区更是如此。因此，尽量减少野外控制点数量、甚至实现无野外 控制点定位一直是摄影测量的重要研究方向之一， 苍穹公司自主研发的无人机摄影测量系统 及影像处理软件DP-UAV很好了解决了这些问题。 4 小结 无人机低空摄影测量系统具有实时性、全天候、低成本等技术优势，其所获得的高分辨 率遥感数据可应用于多种领域， 以快捷便利的方式获取野外影像数据， 减轻野外作业劳动强 度，提高生产效率，满足大比例尺地形图测量的需要。如：工程前期地形图的测绘，工程扩 建补充地形图，线路终勘改线局部偏离航片的补充飞行等。在数据处理方面，DP-UAV系统弥 补了无人机摄影测量在数据获取上的一些劣势， 在数据处理上不仅有全自动的处理过程同时 使得数据处理精度得到大幅度的提高，满足实际工程需求。 结合南水
北调中线工程的实际需求， 无人机摄影测量可满足带状地形图的测图精度， 且 具有自动化、智能化、精确化的优势，快速准确的获取数字高程模型、数字线划图和数字正 射影像图， 为南水北调工程建设管理系统建设做数据库准备， 加速南水北调工程的顺利开展。 利用三维地理信息系统软件可实现带状地形图的可视化， 使得信息更加直观化。 为了表达地 物与地貌的关系， 可在三维建模的基础上叠加对应区域的DEM数据， 实现地物与地貌的统一， 在南水北调工程中可以利用建立的三维模型进行三维地理信息系统一些应用。 如： 土地属性 的实时查询、水土流失的计算等。
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