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利用无人机影像测图方法的研究解读
利用无人机影像进行测图方法的研究
摘要
本文介绍了无人机航测技术的发展过程及其主要制图过程,分析了无人机航测影像制图过程中的一些要注意的问题。
探讨了无人机影像制作大比例尺地形图的主要环节,以及利用无人机影像制作地形图的优缺点。
关键词:
无人机影像空三加密地形图
ABSTRACT
ThispaperintroducesthedevelopmentofUAVaerialtechnologyandthemainprocessofmap-makingbyit,andanalyzessomeimportantproblems,whichshouldbepaidattentionto,intheprocedureofUAVaerialmapping.Moreover,theauthordiscussesthemainstepsoflargescaletopographicmapmakingofUAVaerial,aswellastheadvantagesanddisadvantagesoftopographicmapmakingbyusingunmannedaerialvehicle.
Keywords:
UAVAerialTechnologyAviationPhotogrammetryTopographicMap
一、引言
数字航摄影像制图是基于无人机数字影像与测量的基本原理,应用计算机软件技术、数字影像处理、影像匹配、GPS测量、等多学科的理论与方法,提取所射对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支科学。
目前,许多单位都在开展航空摄影测量数字化技术的测图工作。
按照中央提出的2015年“疆电外送”规模达到3000万千瓦的要求,哈密—郑州±800千伏特高压直流输电工程是“疆电东送”首个特高压项默也是国内目前输送能力最大、输送距离最远的输电工程。
工程建成后,输电能力将达800万千瓦,成为连接西部边疆与中原地区的“电力丝绸之路”。
哈密风电基地二期项目建设方案获得国家能源局批复,标志着国家级哈密地区千万千瓦风电基地建设进入全面实施阶段。
建设方案确定送出风电规模800万千瓦,确定新增风力发电规模125万千瓦。
项目估算总投资602亿元,年外送电量150亿千瓦时。
由于哈密风电二期项目要求工期短、时间紧,建设的项目要求高,项目的初期设计图纸由我方单位用无人机航飞影像数字化成图方法制作。
三、测制大比例尺地图的不同方法
测绘大比例地形图的目的是把现势性较好的地形网,提供给不同用图对象使用。
测绘大比例尺地形图的方法较多,目前常用的有:
平板仪、经纬仪白纸成图法;全野外采集数据数字化成图法;航测成图法。
采用平板仪、经纬仪白纸成图法测绘大比例尺地形图由于手段落后,初始成图后要重新进行数字化处理,不但费时,且成本高,自从全站仪出现,现已没有用此方法测图的单位。
采用全站仪全野外采集数据,经数字成图软件编辑成图的方法可靠,成图精度较高。
但外业工作量大,数据采集耗时时间较长,受地面地形地物影响较大如在在陡崖、植被覆盖好的地段施测困难。
采用航测法施测,费时短,成本低,但是如果测图面积小,专门航摄反而会使成本明显增大,若测区面积较大则测图成本有效降低。
本次所采集的航片是哈密风电场二期地区照片,其中包括两个测区:
景霞地区、(面积航片数)三塘胡地区(面积航片数)。
地区的特点是:
基本由戈壁滩、干河床和很少的地物组成,地物简单,非常适合用航空影像制图。
二、无人机航测发展过程
2005年,由我国研制的高端多用途无人机遥感系统首飞实验成功,并且,该系统在飞行性能、导航控制精度、通信与装备,以及在系统集成、智能化和高分辨率空间数据获取等方面,达到了实用化水平。
2009年,国家重点项目“高精度轻小型航空遥感系统核心技术及产品”启动会在北京举行,该系统的相关产品已在北京的“十一五”国家重大科技成就展上亮相。
2010年国家测绘局开始实施己发布的有关无人机航摄要求的测绘行业标准,包括《数字航摄仪检定规程》、《无人机航摄安全作业基本要求》、《无人机航摄系统技术要求》、《低空数字航空摄影测量内业规范》、《低空数字航空摄影测量外业规范》及《低空数字航空摄影规范》等。
随着低空空域管理的改革,将逐步形成符合低空空域管理规律的组织模式、制度及运作方式,进而有效地开发、利用低空空域资源。
四、影像处理流程及地图制作
(一)影像预处理
本环节是利用无人机影像制作大比例尺地形图的准备环节,主要内容是对影像进行检查、匀光匀色、同名点自动量测和影像重叠度计算以及对像片进行畸变改正,经过预处理的影像可以直接进行空三加密计算,为后期地形图制作提供依据。
1.匀光匀色
无人机在飞行过程中受天气、飞行方向或云雾等客观因素影响,致使航带之间或航带内影像之间存在色彩、对比度、明暗等方而的差异,这样会影响特征点的识别,所以通过对无人机影像的对比分析,找出相片差异比较大的相片进行匀色处理是十分必要的。
目前可以进行像片匀色的软件有许多,比较常用的有Photoshop。
通过对影像的处理,可以使航片之间的影像在纹理、灰度、亮度、色相上保持较好的一致性,从而保证图像拼接的准确率和镶嵌后的自然过渡,为后续处理提供精度保障。
2.同名点自动量测和影像重叠度计算
通过相邻影像的匹配获得大量的同名点,同名点均匀的分布在相邻影像的重叠区内,满足重叠度计算和区域网平差的要求,经过影像间同名点自动量测后,就可以根据同名点坐标值计算相邻影像数据的实际重叠度。
经计算航向重叠度保持在68%-75%之间,航线间的旁向重叠度保持在35%-40%之间,这样才能够满足后续处理的需要。
3.像片畸变差改正
由于无人机航测摄影采用的是非量测型相机,因此需要对像片进行畸变差改正,改正时需要的畸变参数有:
kl,k2,pl,p2,α,β,航片宽、高,焦距等。
软件中可以通过输入这些参数进行计算也可以读入相机参数文件(*cam)进行批量运算。
然后生成一个名为“NewImage”的文件夹,里而存放着新影像,空三加密制作工程时使用此畸变改正后的影像数据。
4.影像的拼接
无人机影像快速拼接过程中,图像序列中的相邻图像之间都会有一定的重叠区域,通过重叠区域的特征点匹配,理论上可以将图像进行快速拼接,但是由于无人机影像是中心投影而且图像边缘的变形比较大,如果将无人机的影像不加选择地进行顺序拼接就会造成航带或者航向的分离,所以拼接的难点就集中在特征点匹配和图像的拼接方法之中。
本测区采用的是POS数据的拼接,这种拼接耗时最低,需要精度较高的POS数据和经过畸变处理的无人机影像。
其拼接流程,如图1所示。
图1无人机影像拼接流程
(二)航摄产品的制作
1.前期准备
测区选用无人机航空摄影获取到的一套真彩色影像,航摄面积为18kmZo航摄里程52km,共405张航片。
航摄仪采用CKLAC2组合宽角双相机,像元尺寸为6.4wm,焦距为35.4176mm,相幅大小为:
45.8752mm*34.816mm,影像地面分辨率为0.2m对无人机的影像质量进行分析以及对外业像控测量数据进行检查,本环节的检查工作将直接影响后期地形图的精度。
2.空三加密
空三加密是早年无人机影像处理的主要瓶颈,综合运用多项技术及处理策略是解决问题的关键。
本次空三将风电场地区分为2个测区,考虑到无人机影像特点,空三加密时采用全自动空三影像软件。
由于软件使用多尺度特征匹配算法,具有尺度不变性、旋转不变性等特点,可以在像对间产生大量稳定的同名点,很好地解决了无人机影像匹配问题,由此可以将所有的航片有效的连接起来。
影像处理后可以得到4D产品DEM、DOM、DIG、DSM数据。
这里我们需要的是DEM、DOM。
3.数字正射影像图(DOM)
数字正射影像图(DOM):
是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌,按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。
它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像,如图2所示。
图2DOM正摄影像
4.数字高程模型(DEM)
数字高程模型是以高程表达地面起伏形态的数字集合。
可制作透视图、断面图,进行工程土石方计算、表面覆盖面积统计,用于与高程有关的地貌形态分析、通视条件分析、洪水淹没区分析,如图3所示。
图3DEM数字高程模型
图4影像处理的流程
(三)航测成图的外业
1.像片调绘
像片调绘必须调绘准确,描述清楚,图式符号运用恰当,各种注记准确无误。
调绘时一般采用放大片调绘,放大倍数视地物复杂程度而定,但一般都不小于成图比例尺的1.5倍。
调绘像片通常采用的是隔号像片,有时为了避开复杂地形,也可以出现连号调绘片。
调绘面积界线,若为全野外布点则是像控点的连线,非全野外布点时,则是像片重叠部分的中线。
如果偏离,也不应大于调绘片上的1㎝。
当遇到自由图边时,调绘应调出范围线0.6㎝。
像片调绘可以采用先野外判读调查,后室内清绘。
也可采用先室内判读清绘,后野外检核和调查,再室内修改和补充清绘的方法。
对于像片上特别明显且依比例尺的地物,可只作性质、数量调绘,不用整饰外轮廓,位置、形状以内业采集为准。
原则上外业调绘要对像片上的所有要素定性,对新增地物和隐蔽地物定性定位。
凡是已拆除或实地不存在的地物(地貌),临时堆建物或者影像似是而非,成图又不必表示的东西要逐个打“×”;整片拆除的可以不必逐个打“×”,以地类界圈出范围,内用红色注记说明:
“内部原地物已全部拆除”,内业不必采集。
正在施工的区域注“施工区”,施工区内有固定建筑的要定性定位补调,建筑中房屋注“建”。
不允许调绘的军事机关、监狱等,不注记部队番号或单位名称,只注记“军事管理区”或“禁区”等字样。
禁区内的地物只要表示合理就行。
(1)道路一定要调准位置,等级分明,线段曲直和交叉位置的形状要和实地一致,附属设施如涵洞、路堤、路堑等要表示清楚,关系明确,注记要齐全。
道路通过居民地不宜中断,应按真实位置绘出。
双线道路如果边线不清时,须实地量取路宽,并量距定出至少一条路边线,注记到相应位置。
(2)管线、垣栅和永久性的电力线、通讯线均要表示。
电杆、铁塔、变压器等均应按实际位置清绘在像片上。
同一杆上有各种线路时,表示其中主要的线路,如同时有高压线和低压线时,只表示高压线。
实地要会区分高压、低压、通讯线等管线性质。
变电站内的电杆、支架一般不表示,只绘放电符号即可,有名称的要注记名称。
(3)地面上及架空管线一般均要表示,并注记输送物质。
地下管线不表示,但其入口、检修井、污水篦子等一般要表示,按图式上相应符号表示。
检修井要学会辨认性质,如下水井盖上有“雨水、排污”等字样,上水井盖上有“自来水公司”等字样。
其它如电信检修井、电力检修井、煤气检修井等均有相应文字标识或者对应的花纹图案。
(4)围墙在1:
500、1:
1000图上用依比例符号表示,若在图上宽度小于0.5㎜时,用0.5㎜的围墙表示。
1:
2000图上围墙一般都是用不依比例尺符号表示。
篱笆、铁丝网、栅栏等均用相应的符号表示。
临时性的或次要的不正规的可不表示。
街道中间或两旁的隔离栏杆一般不用表示。
如果甲方要求表示则需表示。
(5)河流、湖泊、水库的水涯线,一般绘在摄影时的水涯线,若摄影时间为枯水期,可在野外实地调绘出一个常水位点,刺在像片上,再由内业采集水涯线。
有名称的要调注名称。
沟渠宽度在图上大于1㎜(1:
2000地形图上大于0.5㎜)时用双线依比例表示,小于1㎜(1:
2000地形图上小于0.5㎜)时用单线表示。
河流图上宽度大于0.5㎜的用双线依比例表示,小于0.5㎜的用单线表示。
(6)对于大面积的成片分布的植被,调绘时用红色清绘地类界。
里面用红色文字作简要说明,也可用符号表示。
整张相片上如果只有一种植被(土质),可以在片边加注统一说明。
2.像片控制点测量
本项目的布点方案参考了我单位以前的无人机航测项目的实验结果,最终确定了布点方案,采用航线两端及中间隔一条航线布点,每航线按五条基线布设一对平高点,测区内的所有的平高控制点与高程控制点采静用态GPS网联测方法测量。
在像控测量之前,我们对测区内收集到的已知控制点进行联测,检核控制点情况,以保证像控测量的正确性。
此外为检测后期成图精度及空三加密的使用,在每幅图还做了15-20个检查点,采用GPS实时动态定位(RTK)的方法实测完成。
(四)内业成图
1.本次测绘1:
2000地图标准(表1)
地物
全局宽度
线颜色
线型
要求
大车路
0.3
0,0,0
半面虚线
靠近阳光照射的一边用虚线,有明显道路痕迹的表示
高速路
0.3
0,0,0
双实线
铁丝网
0.3
0,0,0
加固陡坎
0.3
194,135,0
未加固陡坎
0.3
194,135,0
干河床
0.3
194,135,0
干河沟
宽度大于2m双线表示
小于2m单线表示
干河床填充
194,135,0
沙粒滩
植被
0,255,0
小草丘地
房屋
0.3
0,0,0
单个房屋要闭合
围墙
0.3
0,0,0
不依比例围墙
围墙与房屋要合理连接
电力线
0.3
0,0,0
通信线
0.3
0,0,0
计曲线
0.6
194,135,0
计曲线编码201101,首曲线编码201102,曲线不能相交,不可穿过房屋、道路
首曲线
0.1
194,135,0
首曲线标高
194,135,0
字头朝向高程高的方向
高程点
0,0,0
高度4mm宋体保留两位小数
每幅图300-500个高程点
高程点不能和其他黑色压盖
表1测图标准
2.内业软件平台
AUTOCAD2006是AUTODESK公司推出的最新版本。
它扩展了AUTOCAD以前版本的优势和特点,并且在用户界面、性能、操作、用户定制、协同设计、图形管理、产品数据管理等方面得到进一步加强,而且AUTOCAD2006简体中文版为中国的使用者提供了更高效、更直观的设计环境,并定制了与我国国标相符的样板图、字体、标注样式等,使得设计人员能更加得心应手地应用此软件。
CASS软件是广州南方测绘仪器有限公司基于CAD平台开发的一套集地形、地籍、空间数据建库、工程应用、土石方算量等功能为一体的软件系统。
自CASS软件推出以来,软件销量超过18000套,市场占有率遥遥领先,已经成为业内应用最广、使用最方便快捷的软件品牌。
也是用户量最大、升级最快、服务最好的主流成图和土石方计算软件系统。
CASS软件经过十几年的稳定发展,现已更新至CASS9.1。
GlobalMapper是一款地图绘制软件,不仅能够将数据显示为光栅地图、高程地图、矢量地图,还可以对地图作编辑、转换、打印、记录GPS及利用数据的GIS(地理信息系统)功能。
由于计算机辅助设计平台(CAD)在各行业广泛的使用。
因此,在选择制作地形图平台的时候,采用了目前国内使用比较广泛的数字化测绘成图软件CASS9.1,本次数字化测绘成图软件CASS9.1是在AUTOCAD2006的基础上安装的,本次数字化成图还用到了FEATURONE和GLOBALMAPPER软件的一些基础操作。
3.地物采集
(1)应遵循由整体到局部、由精确到一般的测量原则,逐级采集数据,即先将图像内的主要道路、河流、房屋等画出来,再画那些次要地物,如耕地、果园等。
(2)对地物进行分层管理,这样有利于分类处理。
在CASS中地物一般都是单独建立一个层,但是系统默认的图层名是字母简写,例如,房屋层用JMD0代表,可以根据实际情况,将图层名称改成汉字,便于以后图层管理。
(3)对于精度要求比较高的地物,如房屋、道路等,要注意保证精度。
可以采用放大屏幕的办法把误差控制在一定范围内。
而对于一般地物,如菜地、果园等,屏幕不必放很大,以此来减少采集数据量,提高成图效率,如图4所示。
图4地物采集样图
4.等高线的绘制方法
(1)本次测图的测图的资料已由航测公司提供,对方已提供等高线文件。
我们只需要其等高线内容在CASS中复制,原坐标粘贴到我们所制作的文件中。
但是考虑到在山地较多的影像中等高线误差较大,所以在山地地区不采用所给的等高线。
优点:
等高线的绘制时间大大缩短。
在多幅图的等高线接边时,基本没有接边的工作量。
缺点:
在山地较多的影像中,等高线的误差较大。
在空三加密的时候,处在航带中间的等高线,等高线处于断开的状态,需要进行对断开的等高线进行多余的编辑。
(2)利用由航测公司提供的DEM影像导入到GLOBALMAPPER软件中坐标西安1980坐标系生成等高线文件,生成的等高线精度采用X=0.3;Y=0.3。
再将文件导入到FEATURONE进行等高线的曲线圆滑,曲线的圆滑系数0.3-0.9,等高线导出之后复制到CASS中进行修测。
此种操作的优点在于在山地上曲线的圆滑效果较好,等高线的精度得到了很大的提高。
优点:
在山地较多的影像中,生成的等高线精度较高。
圆滑后山地效果较好,减少了山地等高线的后期编辑工作。
缺点:
在平地较多的影像中,生成的等高线弯曲度较大、折线较多,增加了后期平地等高线的编辑。
等高线的处理过程多出了一道工序,增加了制图的时间。
(3)由以上原因我们综合两种方法的优点得出:
在平地影像上采用所给等高线,在山地上采用生成等高线的方法,将以上两种方法得到等高线进行拼接制作。
5.高程点的添加方法
(1)利用由航测公司提供的DEM影像导入到GLOBALMAPPER中坐标西安1980坐标系生成高程点文件。
生成高程点密度X=2m,Y=2m。
将点文件以图块的形式插入到文件中,点击影像中的山包,将点展现出来。
无编码文件中的点,再次将文件展点到所操作的文件中,展点距离40米。
删除落压在一起的点。
(2)利用上一步生成的高程点文件,展高程点文件到所操作的文件中。
将所有需要的高程点一个一个展现出来。
(四)地图精度质量检查
本次航测制作1:
2000地形图的质量检查除了室内图面检查。
现场巡视对照检查外,主要通过实测点检查其精度。
采用航测成图法测绘1:
2000地形图的精度检查情况。
虽然在每个工程中,明显地物最大平面位置误差和最大高程误差都有超限的,但超限点数较少,不影响整个成图精度,如图5所示。
图5地物采集样图
五、结束语
本文介绍了无人机技术应用于大区域大比例尺地形图测绘中的若干技术问题,主要从野外影像采集、前期影像处理、空三加密、大比例地形图制作等方面对无人机技术进行了详细阐述,最终得到如下结论:
轻型无人机航空摄影测量系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点,正逐渐成为航空摄影测量系统的有益补充,是空间数据获取的重要工具之一。
无人机影像成图数学精度优良,能满足大比例地形图测绘的要求。
实践证明,无人机航测技术已经成为一种有效的快速测绘手段,可作为传统航测手段应用的一个较好补充。
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致谢
几经仿徨求索,论文终于得以完成。
回顾这一程求学路,记忆里满是老师的悉心指导和同学的快乐相伴,在此我要向他们表达最诚挚的感谢。
首先感谢我的老师吕锋锋老师。
在这两年里,吕锋锋老师不断地以他自身对待科学的热忱,治学严谨的态度,以及对待学生的责任感染着我,在这样的言传身教下,我深深了解了作为一个测绘工作者,应有的责任和态度。
在本文的写作乃至本人大学阶段的学习生活各方面,吕锋锋老师都给予了辛勤的指导和不懈的支持。
在本论文脱稿之际,我谨向吕锋锋老师表示深深的谢意!
衷心的感谢兰州交通大学博文学院的李崇伟高级工程师老师悉心指导我完成了论文内容,在学习和生活方面都给予了我很大的关心和帮助,在此向各位老师表示衷心的谢意!
感谢李崇伟高级工程师在论文中给予的帮助和启发!
大学生期间朝夕相处的同学也是宝贵的财富,感谢10级测绘工程所有兄弟姐妹,是你们的情谊和帮助,让我感受到这个大家庭带来的温暖。
衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的学校领导,感谢答辩委员会的各位老师和专家们对我的论文提出的宝贵建议,为我今后的学习和研究开拓了思路。
最后感谢我的亲人,焉得谖草,言树之背,养一育之恩,无以回报,你们永远
健康快乐是我最大的心愿!
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