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文:张 军 ,焦永清,吴永春,韩立钦

摘要:文中利用微型无人机进行航空摄影,以 Pix4d 为平台获取测区数字表面模型及正射影像图,结 合 ARCGIS 空间分析功能、 CASS 制图功能快速获取满足要求的 3D 数据,实现单兵快速地形图测绘 的效果,提高了小区域地形图测绘的效率、降低了成本,可作为小区域地形图测绘的技术方案。

引言

    无人机测绘技术作为一种新型的低空航测遥感 技术,近些年得到了长足的发展,无人机测绘技术在 硬件设备、软件设备方面的技术更新非常快,各方面 功能日趋成熟,基于其方便灵活、响应速度快等方面 的技术优势,无人机测绘已经广泛的应用于行业生 产当中[1 -2]。微型无人机是指单人操作的4 旋翼无 人机,其更加灵巧、方便携带,将其应用于测绘工作 将起到单兵快速航测的效果。通过案例分析微型无人机进行快速数据获取,通过 pix4d、ARCGIS 及 CASS 软件快速生成小区域 3D 数据的技术方案,对 小区域的快速地形图测绘起到指导作用。

1、项目概况与微型无人机平台

    为了满足陇东南地区地质灾害多源联合检测要 求,快速获取地形数据,对某地区 2 km2 区域进行快 速地形图测绘,测绘成果要求:1:1 000 DWG 格式地 形图、数字正射影像图及数字高程模型,此地区分山 地地形,平均坡度 35°。无人机选择大疆精灵 4Pro, 精灵4Pro 的相机搭载了2 000 万像素的 1 英寸大底索尼Exmor R CMOS 传感器,有效感光面积约是精灵 4 的4 倍,感光度最高可达 ISO 12 800,满足规范对 于航空摄影平台的基本要求,地面控制站选用飞马 D1 000,地面站可控制无人机按规划的航线进行数据采集,可进行正射及倾斜摄影。

2、微型无人机外业数据采集

   微型无人机抗风能力差,选择风力低于 5 级、大 气透明度高的天气进行航飞数据采集。2 km2 测区 范围超过了大疆精灵 4Pro 的续航范围,因此将测区 分为两个分区分别进行影像采集。同时按规范要求 采集外业控制点及若干检查点。

3、航空摄影测量内业处理

       采用 Pix4d( 微型无人机一般没有相机检校文 件,采用此软件的优势在于软件自带相机自检校模 型,无需相机文件,同时微型无人机影像 POS 参数内 嵌于影像内部,此软件可以自动读取) 快速生成测区 数字表面模型 DSM 及数字正射影像图,以此成果作 为 DLG 生产所需基础数据。使用 Pix4d 生成测区基 础 DSM 及 DOM 时,对于精度控制要求要高,最好的 办法是外业均匀采集一些检查点,保证这两项数据 成果精度的可靠性。

4、DWG 格式地形图生产方案

    传统摄影测量线画图的采集都是在立体模型上 通过专业的采集软件进行,此方法的缺点是,对于作 业人员的素质要求高,通过每个模型进行采集速度 相对比较慢。这里研究以 ARCGIS 及 CASS 两种常 用软件为平台,快速获取满足基本精度要求3D 数据 的方案。

4. 1 地形数据采集

     以 ARCGIS 为平台,以空三获取的DOM为底图,获取两层数据:一是按地形图要求对各类地物进行矢量化,获取地物矢量图层; 二是建立点图层,对照DOM采集地貌特征点,特征点采集同时满足地形图高程注记点密度要求。如下图 1 所示为矢量化的地形数据,图2为获取的地貌特征点。

4. 2 高程信息提取

    在 ARCGIS 里使用工具箱里利用SpatialAnalyst 工具———提取分析———值提取至点功能,以点文件为基础,从 DSM 提取点文件对应高程信息。提取完成后矢量化得到的特征点就有了高程信息,高程字段默认RASTERVALU。由于 ARCGIS 的 shap 文件转 CASS 的 DWG 文件,高程属性字段的对应值是 Elevation,所以需要在点文件里新加一个属性字段Elevation,并将RASTERVALU 所获取高程值赋值给 Elevation 字段,这样,在将点文件转换为 DWG 格式时,就会在文件里保存高程信息。如图 3 高程信息 提取前后点文件属性对照表。

4. 3 高程信息检查

    矢量点的位置是保证点的平面位置准确, DSM 上存在匹配异常求得的高程点,若这些点高程被提取,直接影响到生成等高线的精度,因此,在 ARCGIS 里利用高程点文件构TIN,通过 TIN 模型及 DOM 配合检查是否有异常点,有则删除这些点,重新提取即可。如图4 所示为高程异常点( 通过 DOM 对比发现这里是平地,但是在 TIN 模型上这里有明显的高程抬高) ,图 5 为异常点及周围点高程对比( 异常点与 周围点高差差异60. 76 m) 。

4. 4 数据转化

    将获取的 shape 格式矢量化地形数据及带有高程信息的点文件在 ARCGIS 里导出为 DXF 格式或 DWG 格式,导出时注意版本等级符合所用 CASS 软件版本等级。

4. 5 地形图编辑

    在 CASS 环境里:首先基于高程点文件生成等高线;由于 ARCGIS 里矢量化得到的地形数据没有属性,对照 DOM,在 CASS 里将矢量化地形数据赋予属性( 刷属性) ;最后以 DOM 为底图对地形地貌数据进行编辑处理,得到满足地形图要求的地图数据。如图6 为本项目的成果图局部。

4. 6 其他方案分析

    基于高程点文件可在 CASS 里生成等高线,也可在 ARCGIS 里直接生成等值线,然后转到 CASS 里。另一种方案是通过数字表面模型直接在 ARCGIS 生成等值线,赋予高程信息导出为 DWG 格式文件,此方法的缺点是: ( 1) 通过 Pix4d 生产的 DSM 没有对地表的地物进行滤波处理,在有地物的区域高程信 息都是错误的;( 2) 通过高程模型生成的等值线上点密度非常大,导致成果文件数据量很大,以此项目为 例,直接生成的等值线文件 800 MB 的大小,而通过高程点生成的成果只有30 MB 大小,对等值线文件进行点抽稀处理虽可减少数据量,但因没有符合地形要求的智能抽稀方案,也不可取。

4. 7 成果精度分析

     抽取实测10 个检查点与所测地形图进行精度 对比分析如表1 所示。

低空数字航空摄影测量内业规范规定,数字线 划图 B 类1:500 地形图平面点位中误差不超过0. 6 m,高程中误差不超过 0. 8 m[11]; 1: 500 1: 1 000 1:2 000地形图航空摄影测量内业规范规定1:500 绝 对定向后平面位置与高程限差不超过0. 4 m,高程不 超过0. 4 m[12]; 传统 1: 500 地形图测图精度平面位置要求为0. 05 m。通过测图成果与规范要求对比分 析可见,通过此方案获取的地形图完全满足地形图 测图规范精度要求。
5、 总 结

         通过实践表明,利用本方案进行小区域高精度地形图测绘具有如下优势: 一、时间优势,利用此方 法,一个作业人员一天时间可完成2 km*2 的高精度 地形图测绘工作; 二、测绘成果丰富,包含 3D 数据; 三、测绘成本大大降低; 四、时效性高,操作灵活。此方案是基于航空摄影测量技术、地理空间分析技术 及传统测绘成图方法与一体的一种高效的地形图测绘方案,通过实践表明其精度满足测图精度要求,效率高,可以满足小区域规划设计用图要求,可作为小 区域地形测图的一种实用方案。微小型无人机存在续航能力弱、影像分辨率低、姿态参数不稳定的缺点,要获取高精度数据无人机一般飞行高度低,通过 空三获取的 DOM 上较高建筑物会存在较大视差,则通过 DOM 获取地形数据精度会大大降低。解决这类问题,可以通过立体测图的方法补充地形数据,相 应的工作量会增加。

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作者简介:张军(1981 -) ,男,本科,副教授,甘肃工业职业技 术学院专业教师。研究方向: 地理信息系统应用与开发、摄 影测量与遥感技术。

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