1、第 38 卷第 3 期2013 年 05 月测绘科学Science of Surveying and MappingVol. 38 No. 3May作者简介 : 张惠均 ( 1961-) ， 男 ， 江苏常熟人 ， 高级工程师 ， 主要从事航测与遥感及摄影测量方面的航测测绘成果的检查及技术培训和作业指导以及有关摄影测量测绘的新技术拓展和推广及应用等 。E-mail: zhanghuijun_nj163. com收稿日期 : 2011-11-3无人机航测带状地形图的试验及分析张惠均( 江苏省地质测绘院 ， 南京 210008)【摘 要 】本文结合高速公路建设勘察 ， 采用无人机数码航空摄影测量系
2、统进行航测制图 ， 以试验大比例尺带状地形图的航测方法及其精度 。结果表明 ， 在常规控制布点条件下 ， 基于单台普通数码相机摄影的无人机作业 ， 能够满足对成像比例尺放大 10 倍测图的平面精度要求 ， 但尚不能达到相应的高程精度要求 ; 准确消除普通数码影像系统误差是提高该技术航测精度的关键 。【关键词 】无人飞机 ; 非量测数码相机 ; 航空摄影测量 ; 光束法区域网平差 ; 精度【中图分类号 】P231. 2 【文献标识码 】A 【文章编号 】1009-2307( 2013) 03-0100-031 引言以非量测相机为传感器的无人机摄影测量系统 ， 具有低成本 、易推广 、轻便灵活 、
3、不需要专用机场等优点 ， 因而正被迅速地应用于科研和生产之中 1-3。非量测用数码相机通常也称为普通数码相机 。其体积小 、重量轻 ， 适合无人机的搭载 。数码相机生成的影像信号可存放于影像存储卡 ， 或直接与计算机相连实现在线作业 ， 实现数字摄影测量乃至实时摄影测量 。目前普通数码相机的单景影像已达到千万像素以上 ，似乎能够满足大比例尺低空航测制图的成像分辨率要求 4。携带单台普通数码相机的无人机是现今最基本 、最常用的工作方式 。但是 ， 由于无人机飞行高度较低 ， 且像对立体覆盖面积和立体交会精度矛盾也更为突出 。故从作业效率考虑 ， 无人机航测目前主要尝试应用于道路测绘 、航道设计和
4、电力线路勘察等方面 ， 然而尚无作业规范 。为了试验及评价无人机航测测绘大比例尺带状地形图的技术特点 、能力和特性 ， 本文利用该类型无人机摄影测量系统对阜建高速公路进行带状地形图测绘试验 。飞行时间为 2010 年 11月 27 日 -28 日 ， 试验测区地势较平坦 ， 交通便利 ， 飞机起降场地选于紧靠航摄区域的已收割的稻田及无通车的公路上 。根据无人机摄影测量系统现行工作方式 ， 并参照 150012000 地形图航空摄影测量规范等 7-10， 进行大比例尺航测成图作业设计 、实施及技术成果分析 。2 飞行平台及成像传感器2. 1 飞行平台参数飞行平台选用固定翼型无人机 ， 各项技术参
5、数如表 1所示 。表 1 飞行平台技术参数翼展 2. 5m 机 长 2. 05m 机 高 0. 58m空重 10kg 起飞重量 18kg 最大载荷 6kg最大升率 15m/s 升 限 5000m 抗风能力 5 级巡航速度 110km/h 续航时间 2h 最大航程 280km2. 2 成像传感器及参数成像传感器采用了 Canon EOS 5DMark普通数码相机 ，为 CMOS 类型传感器 。由于是非量测用摄影机 ， 即不是专门为摄影测量设计制造的 ， 故它没有提供内方位元素值 ，且成像几何质量也无法同量测摄影机相提并论 。尤其存在内方位稳定性欠佳和构像畸变差突出等缺点 5， 6。当然这些并不掩
6、盖它在使用中独具的优点 ， 人们也在努力对其不足加以研究改进 。目前按量测目的应用普通数码相机 ， 一般都需对它进行检校 ， 以取得内方位元素 、构像畸变校正系数等参数 ， 提供后续的影像数据处理使用 。本试验相机的检校利用室内精密控制场进行 ， 检校算法为摄影测量光线束算法 ， 计算中将相机内方位元素 x0、y0、主距 f， 以及构像畸变系数等检校参数 ， 一并作为未知参数引入平差模型统一解算 。试验相机的检校结果如表 2 所示 。表 2 试验相机检校参数像幅大小( 像素 )5616 3744像素大小( m)6. 41内方位元素( 像素 )x0=2827. 2249y0=1913. 2900
7、f =5551. 3439畸变系数k1 =0. 000000002992364653k2 = 0. 000000000000000125p1 =0. 000000040396287661p2 = 0. 000000130140062485CCD 非正方形比例系数 0. 000240090020CCD 非正交性变形系数 0. 0000577857923 航空摄影及像片控制1) 试验航线设计根据公路测区范围和形状 ， 及成图比例尺 12 000 要求 ， 设计摄影比例尺约为 120 000， 航摄地面分解力为14cm。采用 GPS 飞控管理系统进行定点曝光 ， 共设计 4 条航线 ， 覆盖 159
8、 张航片 ， 按区域网航空摄影 ， 如图 1 所示 。摄区最大绝对航高 744m， 平均基高比为 0. 24， 航向重叠65%、旁向重叠 30%， 旋偏角一般不大于 8。图 1 航线示意图2) 像控点布设方案按区域网布点法 ， 对两条和两条以上的平行航线布设平高按制点 ， 每对像控点相距不超过 4 条基线 ， 且分布在标准点位处 。在不规则区域网中 ， 为了提高像控加密的精度 ， 在网的凸角处增补平高点 ， 凹角处增补高程点 。但当第 3 期 张惠均 无人机航测带状地形图的试验及分析凹凸角之间距离超过 2 条基线时 ， 凹角处亦布平高点 。像控点均选刺在棱角分明的地物上 ， 保证物方及像方的坐
9、标观测精度 。3) 像控点联测试验采用 GPS-RTK 作业模式联测像控点 ， 在已有基础控制点成果的基础上 ， 同时测定得到像控点的物方三维坐标 。为保证加密质量 ， 对高程控制点亦测定了其平面坐标 ，以提供内业加密的纠错使用 。试验中外业观测平高像控点有 48 个 ， 分布较为密集 ，以利于考察无人机航测的摄影测量精度 。4 空中三角测量无人机携带的普通数码相机成像几何质量较量测相机差 ， 还无法提供足够精确的内方位元素 ， 并且无人机本身的飞行状态也易受环境干扰 ， 引起航摄质量下降 。因此 ，光束法区域网空中三角测量 ， 几乎是无人机影像处理的必经过程 。光束法区域网空中三角测量 ，
10、正好适应无人机影像不甚规范的拍摄结果 、多变的像控条件 、复杂的误差处理方法等 11。光束法区域网平差 ， 以每张像片组成的一束光线作为一个平差单元 ， 以中心投影的共线方程作为平差的基础方程 ， 通过各光线束在空间的旋转和平移 ， 使模型之间的公共光线实现最佳交会 ， 将整体区域最佳地纳入到控制点坐标系中 ， 从而确定加密点的地面坐标及像片的外方位元素 12。采用自检校光束法时 ， 还能够自动抵偿系统性误差对平差结果造成的不良影响 。不考虑 POS 观测数据的光束法区域网平差的误差方程形式为 :Vx= At + Bx + Cc lxEVc= Exx lcPcVs= Ecc lsPs( 2)(
11、 2) 式中 ， 第 1 式为像点坐标观测误差方程 ， t、x、c为解算的未知数向量 ， 分别是像片方位元素 、物方坐标 、附加参数的改正数向量 ， lx为常数项 ; 第 2 式为物方坐标观测误差方程 ， x 为控制点的物方坐标 ， lc为常数项 ; 第 3式为附加参数虚拟观测误差方程 。对无人机的光束法区域网平差 ， 附加参数 c 主要表达成像畸变误差 。E、Pc、Ps分别为不同观测值联合平差设置的权矩阵 。传统的航测光束法区域网平差中 ， 因为像点观测精度基本一致 ， 故航线构成形式 、控制点数量及分布 、附加参数添加等 ， 是影响平差结果的主要因素 。但对无人机影像而言 ， 影像质量不高
12、造成像点观测精度低 ， 将可能是影响平差结果的最主要因素 。因此 ， 在本次试验中 ， 先采用了适普公司的 Aberrations Correction System 程序模块对原始影像进行径向畸变和切向畸变的纠正 ， 然后利用 VirtuoZoAAT 自动空中三角测量软件进行区域网平差 ， 作业流程如下 :1) 数据准备数据准备工作一般包括建立测区 、自动内定向 、确定航线间的偏移量以及输入 GPS 参数 4 部分工作 。建立测区主要是完成创建测区 、建立相机文件 、输入外业控制点 、影像格式转换和建立测区影像列表等工作 。普通数码影像没有框标 ， 直接利用影像栅格坐标系统量算 ， 无需内定
13、向过程 。确定航线间的偏移量主要是建立相邻航线间的连接关系 。通常只需要人工在相邻的航线之间量测数个同名点 ，这些同名点被称为航线间偏移点 。2) 自动转点在完成数据准备工作后 ， 就可以进行自动转点 。这部分作业需要计算机运算较长时间 ， 但不需要作业员监管 。3) 空中三角测量加密空中三角测量加密 ， 即编辑连接点后并进行平差计算 。作业步骤可能经历 : 量测控制点 、在标准点位增加像点 、调用平差程序进行平差计算 、删除或编辑粗差像点等 ， 重复第三步和第四步 ， 直至满足加密要求 ， 最后输出加密成果 。本次试验中 ， 空中三角测量计算的控制点坐标残余中误差为表 3 所示 。表 3 空
14、中三角测量控制点中误差 ( 单位 : m)控制点坐标中误差 控制点坐标最大残差mX=0. 101 0. 229mY=0. 111 0. 203mZ=0. 077 0. 1835 立体模型数据采集及精度分析直接利用空三加密成果 ， 通过全数字摄影测量工作站JX4-C 建立以单像对为单元的立体模型 ， 采集各类地物位置和高程点等数据 。根据全数字摄影测量工作站 JX4-C 采集的地形数据 ，对照性地进行野外实地精确测量 。将外业实测数据与影像立体测绘数据作比较分析 ， 并统计相关中误差 ， 结果如表 4所示 。表 4 航测地形中误差 ( 单位 : m)平面中误差地物类型 点位中误差 ( M) X
15、最大值 Y 最大值建筑物 0. 333 0. 283 0. 312其他地物 0. 646 0. 483 0. 564高程中误差中误差 ( M) H 最大值高程点 1. 63 2. 77对比表 3 和表 4， 可以分析得出以下具体结果 :1) 对建筑物等形态特征良好的数据点 ， 立体模型采集点与空三加密控制点的坐标精度基本相当 。这说明立体测绘虽然加入了作业员的观测误差 ， 但该项观测误差很小 ，建筑物等立体测绘数据点可以用作独立检查点 ， 评价空中三角测量成果质量 。2) 本次试验的航摄和像控设计参照了 1500 12 000地形图航空摄影测量规范 ， 提供了大比例尺成图的数据处理条件 。如果
16、按照目前量测用数码航空相机的作业能力 ，航测应该能够达到 12 000 地形图的精度要求 。试验中平面误差满足了 12 000 地形图的精度要求 ， 但高程点中误差没有达到相应精度要求 ， 且差距较大 。这说明普通数码相机的像元尺寸虽然已与量测用数码航空相机相仿 ， 但构像质量较后者仍有明显差别 。3) 尽管在影像预处理和空中三角测量过程中 ， 考虑了构像畸变校正 ， 但普通数码影像仍使得按常规的基高比立体摄影 ， 无法达到足够的高程精度 。普通数码相机采用双拼或四拼机组应该是目前更为实用的航摄方法 。4) 试验中单台普通数码相机摄影的像对覆盖面积小 ，导致航线数量和像对数量增多 。使得空三加
17、密人员增加了10 倍于常规航测的工作量 。显然 ， 多拼相机作业亦有利于改善这一缺陷 。5) 本试验覆盖 2 4 条航线 ， 以 2 条航线的长形区域为主 ， 近似密集像控布点 ， 取得了均匀且较为理想的平面精度 。但高程控制密集下 ， 并没有取得按量测相机的理论上为 1. 690的高程加密精度 ， 且远低于该理论估计精度 。这( 下转第 105 页 )101第 3 期 金 飞等 基于对数极坐标变换的遥感影像居民地提取 3 王碧辉 ， 吴运超 ， 黄晓春 . 基于高分辨率遥感影像的城市用地分类研究 J 遥感信息 ， 2012， 27( 4) : 111-115. 4 孟亚宾 . 高分辨率遥感影
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21、半自动提取技术研究 J 测绘通报 ， 2002， 10: 15-18.Extraction of residential areas from remote sensing images based on log-polar transformationAbstract: The residential area panchromatic remote sensing image extraction method of based on fourier transformation and log-polar transformation was presented in the paper
22、. First， the panchromatic image was translated by log-polar transform to convert the rota-tion to translation in different directions， then the fourier transform was used for the texture image of log-polar transform， and at last，the power of fourier transform was used to segment the texture as rotat
23、ion invariant feature. Moreover， a mathematical morphology meth-od was used for subsequent processing. Experimental results showed residential areas could be acquired from the remote sensing imagesby the method.Key words: fourier transformation; cluster analysis; region growing; human-computer inter
24、action; Log-polar TransformationJIN Fei， WANG Fan， LIU Zhi， RUI Jie ( Information Engineering University， Zhengzhou 450052， China檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿)( 上接第 101 页 )说明普通数码相机的构像畸变残差影响仍然很大 ， 按量测相机作业的基线跨度布设高程控制点 ， 远不能消除普通数码影像系统性误差的对高程观测的影响 。6 结束语在国家开放低空空域 ， 深化低空空域管理改革的背景下 ， 无人机低
25、空遥感技术是近年快速发展起来的一项地理信息数据快速获取技术 。在本次试验中 ， 固定翼型无人飞机的使用 、RTK 像控点测量 、GPS 定点导航型航拍 、自动相关软件检查航向旁向漏洞 、GPS 定点补拍 、空中加密 、立体测图等 ， 均在测区一次完成 ， 大大缩短了航测成图的周期 ， 加快了航测内外业一体化的作业过程 。在常规控制布点条件下 ， 基于单台普通数码相机摄影的无人机作业 ， 能够满足对成像比例尺放大 10 倍测图的平面精度要求 ， 但尚不能达到相应的高程精度要求 。普通数码相机的成像质量较量测用数码航空相机仍有明显差距 ， 准确消除普通数码影像系统误差的影响 ， 是从根本上提高该技
26、术航测精度的关键 。现有条件下 ， 使用多拼相机作业有利于提高测绘精度和作业效率 。总体上 ， 无人机航测技术的设备 、软件 、技术流程及质量控制等 ， 都还存在欠成熟之处 ， 有待进一步的发展完善 ， 但其技术优点明显 ， 发展前景广阔 。参考文献 1 Light D. An air borne direct digital imaging system J Photogrammetric engineering remote sensing， 2001， 67( 11) : 1299-1305. 2 Gordon P. Robotic aerial platforms for remote
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30、ied case of Fujian highway construction investigation in Jiangsu province. The resultsshowed that， in conventional control conditions， with a single digital camera， the aerial surveying accuracy could meet the standard de-mand when the measuring scale of topographic map is the 10 times of the maps，
31、but the height accuracy is unsatisfying. Accurately e-liminating the systematic error of common digital camera image becomes the key point to improve the precision of UAV aerial photo-grammetry.Key words: UAV; non-metric digital camera; aerial photogrammetry; bundle block adjustment; accuracyZHANG Hui-jun ( Jiangsu Institute of Surveying and Mapping of Geology， Nanjing 210008， China)501
