基于无人机数字航空影像的数字地面模型提取

基于无人机数字航空影像的数字地面模型提取

郑鹏飞

长江勘测规划设计研究院工程移民院 湖北 武汉 430010

摘要：数字地面模型广泛应用于诸如测绘与建筑工程、自然灾害管理系统、变形监测等诸多领域。一般来说，数字地面模型提取的精度及详尽的信息要求在大多数应用方面是至关重要的。摄影测量及相关技术的提升使得其便于提取高精度的数字地面模型。最近，数字地面模型可以从安装在诸如无人机一类的轻型平台上的小型相机拍摄的数字航片上提取出来。本次研究将对由无人机平台提取的数字地面模型的精度进行分析相机被用作非量测相机进行地面信息采集。

关键字：无人机，数字地面模型，数码相机，数字航空影像，精度

1 引言

数字地面模型广泛地贯穿于测绘与建筑工程，灾害管理系统，变形监测等领域。数字地面模型是地表地形的连续表达。也就是说，数字地面模型是没有建筑物、道路和桥梁等人工设施的“裸地球”。数字地面模型在不同的领域有不同的定义，但基本的意思都是一样的。结合有效的数据可以用多种技术和方式建立数字地面模型。在摄影测量中，数字地面模型是通过对数字航空影像进行一系列的立体图像匹配获得的。一般情况下，航片是通过飞机盒量测相机获得的。由于要进行适当的规划已获得有效的数据，这种方法耗费时间并且价格昂贵。并且，在飞行时要求具备摄影测量专业知识以操作相机。总的来说，空中摄影测量价格昂贵并且不适用于大比例尺测图。摄影测量及相关技术的发展使其适用于提取高精度数字地面模型。小型相机的兼容性为摄影测量员打开了了新纪元。

1 无人机及数码相机

无人机的定义是具有远距离控制能力在飞行阶段没有飞行员的飞机[3]。无人机在第一、二次世界大战期间被军方发展起来以用于侦察与监视目的。现在，民间可以运用无人机进行摄影测量。装备有全球定位系统、惯性导航系统和自动驾驶仪等设备的无人机系统为了绘图以及影像解译的目的被设计出来。发展低空无人机摄影测量的优势是在多云条件下进行摄影测量、从空中获取研究目标的全方位影像和为对频率有较高要求的航空摄影测量服务提供一个廉价并且便捷的系统。如图1所示，某无人机是一款为低空无人机系统而设计的小型飞行器。它能提供符合要求的影像，是卫星和飞机的廉价替代品。

2 研究方法

本次研究所采用的研究方法如图2所示。每一个研究阶段都按照使用数字航空影像提取数字地面模型的程序进行解释。

1. 准备阶段

这个阶段调查研究的目的。根据已进行的研究，确定了摄影比例尺、无人机飞行高度和覆盖范围等条件。航片包含60%的旁向重叠和30%的航向重叠。一个有条理的影像要进行必要的规划，因为这对数据的处理及分析至关重要。

2. 计划阶段

本阶段包括研究区域、软件的确定以及诸如数码相机以及GPS设备的等设备的选择。用于制作某地区数字地面模型的数字航空影像使用ERDAS Orthobase 8.6软件进行处理。使用合众思壮科公司的E650接收机建立地面控制点以及用于精度分析的检核点。

3. 数据获取阶段

通过安装在某无人机上的数码相机获得数字航空影像。该无人机起飞和降落都是在预定地点自动完成的。几个JPEG格式的条带被捕获并传输到了处理影响用的计算机。并且进行了航空影像的现场校正。

4. 地面控制点和检核点的建立

地面控制点和检核点是在航空摄影任务结束并生成无控制点的镶嵌图之后建立的。在小幅面相机一个条带中选择了16个地面控制点和7个检核点，这些点在重叠区域中的位置如图4所示。在地面控制点及检核点的监理过程中使用了实时动态差分技术。

5. 相机校正

相机校正在影像处理之前完成。相机校正是通过捕获由若干目标及基准尺组成的试验场的融合影像完成的。使用的是自检校光束法平差方法。在获取试验场的数据后，通过使用Australis软件对影像进行处理已获得相机的校正参数。

6. 数据处理

为了从无人机影像中获得数字地面模型，本阶段需要对数字影像进行处理。ERDAS Orthobase被用于小幅面相机数字相片的处理。在空中三角测量中使用地面控制点以建立立体观测模型。在软件中，三维立体观测模型可以在短时间内建立[2]。这是生成数字地面模型和正射数字航空影像所必需的步骤。数字地面模型的衍生品被用于精度评定和生成可视化的正射影像。

3实验与分析

本次实验最后的最后阶段由定性及定量分析组成。定性分析通过分析生成正摄影像及数字地面模型的质量完成。同时，定量分析通过计算标准差完成。控制点和检核点由RTK技术获得的的任意坐标系坐标（X、Y、Z）将和由摄影测量建立的估算值进行比较。通过本次研究，获得了三组结果。第一个结果是通过相机校正获得的相机校正参数，第二个是由数字航空影像得到的数字地面模型。第三个结果是正射影像。

1. 相机校正参数

表1所示的是某数码相机的相机校正参数。相机校正参数包括焦距（c）、主点偏移（x

_p、y_p）、径向透镜畸变（p₁）及切向透镜畸变（p₂）、密切度（b₁）以及不同比例尺因子（b₂）。

表格 1

2. 正射影像

随后，一系列的由小画幅非量测相机获得的数字航空影像被用于制作正射影像。正射影像是在获得拥有60%旁向重叠及30%航向重叠的空中三角测量航空影像获得后结合已建立的地面控制点获得的。三维模型成功建立后正射影像变得更加直观。图5所示的是某地区的数字航空影像对应的正射影像。

3. 数字地面模型

数字地面模型是基于空中三角测量生成的。在该区域白色代表较高的地形而灰色代表较低的地形。数字地面模型的质量随后用RTK技术与检核点进行验证。分析生成的数字地面模型通过与RTK获得的坐标比较进行分析。数字地面模型的平面及高程精度如表2所示。对于平面精度，分别获得了X、Y坐标 0.555m和 0.624m亚米级的精度。同样的，Z坐标的中误差是 1.117m。通过平均平面与高程中误差得到了小画幅影像数字地面模型的平均中误差。

4 结论

本次研究表明，无人机获取的数字航空影像可用于数字地面模型的提取。较低的费用以及人力获得的数据所达到的亚米级精度对很多应用时足够的。此外，灵活高效的无人机飞行可以用作实时测绘。这正是因为无人机可以在自动驾驶仪的控制下在受限区域内起飞和降落。最后，从无人机数字影像中提取数字地面模型的程序可以应用其他领域。

参考文献

[1] 国家测绘局. 国家航空摄影总体规划研究报告(征求意见稿).2001．

[2] 李学友. IMU_DGPS辅助航空摄影测量原理_方法及实践[博士学位论文]. 郑州：解放军信息工程大学，2005.