图选项
1.2 倾斜摄影测量系统
无人机倾斜摄影测量是以无人机为飞行平台、以倾斜摄影相机为传感器的航空摄影测量系统。对于飞行平台而言,应着重考虑续航时间、飞行速度、载重、安全性及抗风性等因素;对于传感器而言,应着重关注其波段数、焦距、POS数据采集能力等主要指标。通过POS采集与相机拍摄的同步设置,******限度减少了机械延时产生的定位误差,******了高动态场景下的影像获取精度[6];通过无人机与航摄系统融合的设计使飞行更趋于稳定;通过高精度双RTK模块导航定位与******飞行技术相结合的方式,使航线误差控制在2 cm、定向精度在0.2°以内。
1.3 飞行航高及重叠率设计
根据任务需求设定合适的地面分辨率,依据测区地物高度和类型设置重叠率,结合倾斜相机的性能计算航摄高度[10]为
式中,H为航高;f为相机焦距;GSD为地面分辨率;a为像元尺寸。
《低空数字航空摄影规范》(CHZ 3005—2010)规定:航向重叠率应不低于53%;旁向重叠率应不低于8%,通常设置为60%~80%与15%~60%。考虑地物遮挡和模型形变等问题,航向及旁向重叠率大于75%较适宜。
1.4 空三解算
倾斜摄影空三解算时,将机载POS提供的外方位元素视为观测值引入摄影测量区域网平差中,利用后处理软件采用统一的数学模型和算法,对多视影像进行自动匹配,获得同名连接点,构建自由网;在初次空三结果基础上加入控制点进行联合平差,可优化精度至1/3像素,通过同名点匹配技术建立影像与模型间的严格对应关系,以满足后续自动化建模精度[11-12]。当空三运算精度结果中像控点中误差小于0.03 m(小于0.01 m效果******),残差满足限差要求,丢片合理,无分层、断层、错位,则认定空三运算满足质量要求。
2 应用实例2.1 研究区概况
韶关北江特有******鱼类省级自然保护区(以下简称“保护区”)于2006年建立,2008年升格为省级自然保护区,位于广东省韶关市北江水系的武江,总面积为2820 hm2,主要保护对象为特有******濒危鱼类及水生生态环境等,属内陆湿地和水域生态系统类保护区。
为了确保保护区范围的******性和现实性,将完成优化整合工作后的保护区界线成果叠加至Google地图,发现3处区域与实际情况存在一定偏差(如图 2 所示)。通过在大疆官方网站安全飞行指引限飞区域查询可知,图 2(a) 区域和图 2(b) 区域位于桂头机场限飞区,因此选定图 2(c) 区域作为试验区进行野外飞行作业。试验区位于保护区核心范围,面积为5.64 hm2,西侧江面停靠少许渔船,岸边多为低矮居民住宅及河边厂。测区内建筑物******高度约为30 m,电塔高约30 m,树木******高度约为40 m。
图 2 Google底图边界偏差对比
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2.2 软硬件设备参数
本次倾斜摄影作业选用大疆M600 Pro双轴六旋翼无人机搭载睿铂RIY-S2五镜头倾斜相机,航线管理多任务一体化,同时兼容BDS、GPS、GLONASS 3种卫星定位模式,单镜头像素为2400万,传感器大小为23.5 mm×15.6 mm。测图比例尺为1∶500,基本等高距为0.5 m,三维模型及主要地物点平面精度为5 cm,高程中误差≤10 cm。
为了能快速、******地在成图范围内布设符合规范、满足精度要求的像控点,在倾斜摄影测量之前采用大疆精灵4 RTK小型航测无人机获取测区DOM。该飞行平台具备厘米级导航定位和高性能成像系统,拥有快速、高效等成图优势。本次航摄飞行高度为80 m,航向重叠率为85%,旁向重叠率为80%,平均飞行速度为8.3 m/s,飞行时间共19.42 min,有效飞行面积为10.28 hm2(如图 3 所示)。
图 3 区域网控制点分布
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2.3 无人机倾斜摄影测量
本文于2020年9月19日和10月11日共进行2次飞行试验,试验区呈条带状分布,共分2个架次完成,有效飞行面积为20.11 hm2。试验1飞行航高为100 m,航向重叠率为80%,旁向重叠率为75%;试验2飞行航高为80 m,航向和旁向重叠率均为80%,航线规划如 图 4 所示。飞行期间通视条件良好,均为无风晴天,航摄数据经检查无遗漏,对应POS信息齐全,飞行数据范围及质量均满足测区生产需求。
图 4 试验2飞行航线规划
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2.3.1 像控点布设和采集
采用密周边隔基线的区域网控制点布设法[13],依据DOM室内选点结合实地踏勘,预制标准对三角地面人工标志,以80~200 m为间距,共布设10个控制点(如 图 3 所示)。本文采用GPS实时动态差分定位技术(GPS RTK),依据已知基准站接收卫星信号,以流动站形式采用智能中海达iRTK 2,求得基准站和流动站间的坐标增量,实现实时联合解算,获取全部像控点位置信息[14]。坐标系统采用2000国家大地坐标系和1985国家高程基准。
2.3.2 无人机影像获取
在明确任务需求的基础上,充分考虑航测平台参数设置和航线规划(见 表 1 ),确保影像的获取质量。此外,在奥维地图中圈定适宜的飞行范围,导入无人机飞行平台以备使用。
表 1 倾斜摄影测量平台参数
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2.3.3 三维建模
项目采用ContextCapture Center软件,集群调用8组GPU同步运算。通过集成处理POS数据,验证POS精度并对其姿态角数据进行子午线收敛角补偿,解算出******外方位元素;利用特征匹配算法获取高精度同名点匹配结果,通过光束法局域网平差实现空中三角测量;根据聚簇算法和密集匹配算法初步构建高密度点云数据,依据空三建立的影像间三角关系经由高密度点云构建TIN网格模型;***后经由纹理映射形成实景三维模型,效果真实性强,纹理现势性好。
2.3.4 几何精度验证
为******模型精度的******性和******性,验证倾斜摄影测量在自然保护区三维模型构建中所能达到的精度,依据《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012),本文引入中误差,通过选择平整道路地面特征点及建模效果较好的房角点、房前空地点共9个检验点进行综合点位几何精度验证,计算公式为
(2)
(3)
(5)
式中,Mx、My、Ms、Mz分别为x方向、y方向、平面、高程中误差;Δ为检测较差;n为检验点总数。经计算(见 表 2 — 表 3 ),试验1:x方向的中误差为0.053 m,y方向的中误差为0.047 m,平面中误差为0.071 m,高程中误差为0.062 m,其中******高程误差为0.160 m,***小高程误差为0.001 m。试验2:x、y方向中误差均为0.017 m,平面中误差为0.025 m,高程中误差为0.047 m,其中******高程误差为0.142 0 m,***小高程误差为0.001 m。由此可知,试验2模型精度优于试验1,模型成果满足1∶500地籍测图精度要求。
表 2 平面几何精度
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表 3 高程几何精度
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2.3.5 三维测图
内业处理采用北京山维科技EPS测图软件,该软件可集成真三维与真正射环境,通过二三维联动采编实现保护区岸线识别和提取(如 图 5 所示)。同时,输出成果能与南方CASS和ArcGIS等软件相结合处理,操作界面友好便捷。对于部分树冠遮挡区通过外业调绘补测完善。
图 5 二三维联动采编界面
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3 讨 论
依据行业标准规范检查指标,采用人机交互检查方式,检查模型完整性及场景协调性[15]。******飞行所获取模型效果不佳,岸边部分房屋和船只存在变形,树木具有少许粘连和拉花,江岸边及水面部分区域呈空洞和塌陷状态,水面呈高低起伏的波浪形状,质量未能达到要求。此类现象的发生是在摄影测量平台设计、航线规划、像控布设、风速、光照、测区立地环境等内外因素综合作用下形成的,经分析总结得出以下问题及模型优化决方法:
(1) 由于测区属于内陆湿地和水域生态类保护区,受水域及风速影响,航向飞行初期加速阶段及旁向拐角时刻易造成地面倾斜角偏大,飞行器不平行于水平地面,致使航线边缘和拐角处照片具有偏移、模糊等现象。通常此类照片无法参与模型构建,导致照片丢失。因此,为了******限度规避影响因素,确保模型精度,本文在模型测图范围基础上以飞行航高为距离创建缓冲区,作为实际飞行范围,航线边缘及拐角处照片将不参与模型构建。
(2) 由于测区岸边多为低矮平房和植被,通过降低飞行航高、增加旁向重叠率等更加精细化的处理方式,可有效减少建筑物和局部地区异常等现象,使模型更加形象、逼真。
(3) 对于水面而言,因缺少同名特征点或同名特征点较少,建模时难以实现******匹配,导致输出水面凹凸不平且存在大量空洞。通过添加水面约束的方式对水域进行平面化处理,实现水面破洞修复。
4 结 语
本文通过无人机倾斜摄影测量技术******实施北江特种******鱼类自然保护区勘界工作。试验表明,该方法具有较好的适用性及实用性,能满足划定保护地边界的勘查及定期测量。其自动化程度高,大大减少了外业工作量;成果精度高,模型效果好,可针对特殊区域施行******监测,弥补了航空、航天遥感的平面观测缺陷和现场监测技术的不足。实景三维模型、DOM和DSM等地理信息数据的获取,推动了自然保护地勘界立标工作的信息化发展,为自然保护地整合优化工作提供了现势性好和******的基础数据,应用前景十分广阔,易于推广。无人机倾斜摄影测量是否适用于湿地、森林等高植被覆盖的自然公园勘界有待进一步研究。此外,如何高效获取更直观的三维展示成果、提高无人机续航力及减少数据冗余等问题仍是今后探索的趋势。