天狼星无人机摄影测量系统在大比例尺测图与三维建模中的应用

李鑫龙，李伟明，张清民

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130000)

无人机(UAV)航测技术是近年来发展起来的快速获取高分辨率影像的测绘新技术[1]，其具有低成本、高效率和高分辨率等特点，在农林作业、工业测量、土地资源调查、智慧城市、三维实景、城市规划与农村土地确权等方面得到了广泛的应用[2]，特别是在地形复杂、人员难以进驻地区的地理信息数据获取方面拥有独特优势。

近年来，国内外研究学者在无人机航测领域取得了丰硕的研究成果。薛永安等利用无人机系统快速测绘了矿区内的大比例尺地形图[3]；严慧敏等描述了无人机航测系统在水利工程中的应用[4];王湘文等应用低空无人机摄影测量系统，制作了1∶2000地形图并进行了精度验证，取得了一定进展[5]；Watts等将低空无人机航测系统应用于生态系统检测中[6]；Lewycky等应用无人机技术进行自然灾害调查，成功估算出洪水淹没范围[7]；Merino等将多种传感器搭载在无人机系统中，实现了目标区域的动态监测[8]。

目前传统航测作业存在很多不完善之处，如相机相幅较小、影像畸变差较大，需要大量的相控点来约束生成数据的精度[9]。生成的数据大多是传统的二维数据产品，耗费人力物力的同时也将成果应用局限在测绘专业人员范围内。本研究采用天狼星无人机摄影测量系统，应用免相控航测技术进行测绘数据生产，不仅完成了测区内1∶2000比例尺DOM、DEM、DLG数据的制作，而且实现了测区内三维建模的生成。经过精度验证，数据符合测绘成图规范要求。此次研究方法在今后不仅可以为设计施工单位提供基础数据，而且在项目前期可研阶段提供帮助。

1 研究区概况

研究区位于吉林省西北部，区域面积约6 km2，山地丘陵地形，植被茂盛，多为阔叶林。气候为北温带大陆性季风气候，温差较大，四季分明。项目要求绘制测区内1∶2000地形图，同时生产DOM与DEM数据。为配合设计施工部门工作，制作测区三维数据模型。

2 航测技术流程

项目选用天狼星Sirius Pro无人机作为航测平台，主要由硬件设备、影像处理系统、信息分析系统与数据处理系统等部分组成[10]，搭载Sony RX1R2型号数码相机，具有良好稳定的气动性能与操作性能。地面站系统采用MAVinci Desktop软件系统进行任务航路规划等地面工作。飞行计划主要参数见表1。

表1 飞行计划参数

2.1 航线设计

航向覆盖超出边界线不少于一条基线，旁向覆盖超出摄区边界线不少于扫描宽度的30%。为保证高程精度，航片的航向重叠度设计为80%，旁向重叠度设计为55%，在保证航线覆盖、重叠与地面分辨率的情况下，航线间隔根据测区地形进行确定。

2.2 航摄数据采集

飞行前，组织飞控员进行航线设计与安全管理培训。起飞前严格按照飞行检查单的要求进行飞前检查，确保安装和各项设置正确无误。规定航摄期内选择天气晴朗、大气透明度好、光照充足的时间进行航摄工作。

采集后的相片数据进行飞行质量检查与摄影质量检查，检查结果确定符合航空摄影测量规范要求后进行数据生产工作。

2.3 数据生产流程

导出工程文件进行空中三角测量计算生产测区数字产品。空三计算无需多余相控点数据对模型进行干预。利用最新的多视图三维重建技术，内定向与三维模型重建实现全程自动化[11]，生成高质量的点云数据、DEM与DOM数据。DOM如图1所示，可以看出研究区内的居民地、道路、植被土质等地图信息清晰可见。

图1 研究区1∶2000 DOM数据

为获取测区内的DLG数据，新建地形模型。测图系统采用裸眼3D技术生产加工DLG数据，该技术方法在打破传统测图方式的同时降低了对测图人员的专业技术性要求。绘制地形图以《国家基本比例尺地图图示第一部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形图图示》为基础进行表示，要求线划信息美观、完整、不可随意打断且属性正确完整。图层按居民地、道路、水系、等高线、植被、高程点、境界等分类采集整理。

2.4 三维建模

生产加工得到的DLG数据作为4D产品之一，可以较全面地描述地表现象，为专业测绘单位空间分析与决策提供数据支持。但是对于一些非测绘专业人员，判读有一定困难。三维模型数据可以很好地解决这一问题，其以直观性、客观性和真实性等特性,成为数字城市数据库中的重要组成部分[12]。通过建立三维模型，可以使用户对景观与环境产生直观的三维效果印象,因此该技术在旅游、测绘等行业有着广泛的发展前景[13]。

利用Smart3D软件制作三维模型，需要利用导出项目文件中的POS数据和航摄相片。系统采用的是双频双星技术，保证了无人机在飞行过程中获得厘米级别的精确度，实现无人机在飞行过程中记录每个曝光点的空间位置坐标，并且每一张相片位置信息都具有RTK的固定解精度，从而在三维建模时不需要输入相控点，只需输入POS数据进行位置定位。建立空三关系模型，运算工程后最后输出三维模型，如图2所示。可以看出地理数据从传统的二维平面图的表达方式转换为以三维立体的方式显示[14]，生成模型可以清楚地显示被植被隐藏的道路、电线杆等地物信息。施工设计部门可以准确计算土方量，得到相应的平面图、剖面图。

图2 研究区三维模型

3 精度分析与效率对比

精度分析是制作地形图必不可少的环节，以便判定制作地形图是否满足国家规范要求[15]。为了验证模型精度，计算生产数据与实测数据的平面与高程中误差，即

式中，m表示数据中误差，单位为m；Δ表示检查点的不符值，单位m;n表示评定精度的点数。

检查点利用RTK实测获得，包括房角、道路转折点、稻田转角等，结果见表2。

表2 生产1∶2000地形图精度分析表

经过计算，平面中误差为0.086 m，高程中误差为0.127 m，满足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形图航空摄影测量内业规范》精度要求。为了检验天狼星航测系统的工作效率，研究采用航测方法与传统RTK测图方法同时同地作业的方式进行验证。航空摄影测量方法工作时间8 d，其中包括外业数据获取1 d、内业数据处理成图7 d，完成DEM、DOM、DLG数据生产工作，成图面积6.351 5 km2。传统RTK测图方法8 d内测图面积为1.5 km2。对比分析可知，无人机航测方法作业提升率约为70%。因此利用天狼星无人机航测系统进行航测，不仅提高了工作效率，而且减少了外业工作量。

4 结 语

天狼星无人机测量系统不仅可以应用于大比例尺3D数字产品生产加工中，而且可以在基建项目可研阶段的三维数据模型制作中发挥重要作用。天狼星无人机测量系统打破传统航测工作模式，在没有地面相控点的情况下，生产数据满足测量规范的精度要求，在提高测绘工作效率的同时，也为施工设计部门提供了精确的基础数据，对今后水利水电、土地确权、城乡建设等工作的开展起到积极作用。