聂敏莉

摘 要：该文以西安市航天城某区域为试验区，旨在通过无人机技术及地面三维激光扫描技术相结合的方式进行城市小区域快速生产高精度DOM进行探讨。基于无人机数据处理获取高精度平面位置的同时利用三维激光扫描点云数据提供的大量外业相控点进行空三测量，再结合地面三维激光扫描的点云数据修正空三生产出的DSM点云数据，进一步提高高程精度。在一定程度上解决外业布设相控点的难度大，安全性低、有可能返工以及无人机高程精度不足的问题，为小区域范快速生产高精度DOM中提供可行性方案。

关键词：无人机 三维激光扫描 DSM DEM DOM

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0092-02

1 绪论

在测绘行业的今天，如何快速准确的获取更新现有的基础数据一直是行业关注的主要问题。在获取小区域地形数据方面，传统航测飞行由于其规划较复杂，天气影响、需专业操控手等因素导致数据获取困难，而无人机的灵活、便捷以及成本低等特点，对于传统的航测体现出其明显的优势。但无人机数据的平面精度较高而高程精度相对较差[1]。地面三维激光扫描技术采用的非接触式高速激光测量方式，它的实时、动态、高密度和高精度等特性在小区域地形数据获取方面也尤为突出，地面三维激光扫描技术恰好能够有效地获取高精度的高程数据[2]，恰好能够有效地作为无人机数据生产高精度DEM和DOM的有力补充。

2 总体方案

总体方案见图1。

3 实验概况

测区位于陕西省西安市城区南部航天城附近的一块旧城改造区域，此区域地形较为平坦，地物较为复杂，面积约3.2 km2。该次试验采用RTK测量了8个控制点，控制点主要用于三维激光扫描数据的绝对定位，原则上3个控制点即可，剩余控制点用于数据精度的检核。

三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描的目标不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠[3]。该次三维激光扫描实验采用的是Focus3D 120型三维激光扫描仪，尺寸为240×200×100 mm3，重5 kg，有内置相机，其扫描速度为976000点/s，可测量距离154.3 m，每站2～5 min。其特点是快速、轻便、自动校准和全自动测量。该次三维激光扫描实验仪器进行数据采集4个h，共扫描52站。

该次无人机实验采用的是测图鹰microdrones md4-1000四旋翼垂直起降小型自动驾驶无人飞行器系统，其搭载的相机型号为SONY_α7。此无人机航行时间最长为70 min，爬升速度为7.5 m/秒，巡航速度为15m/s，抵抗风力9m/s，飞行高度最大1000 m，飞行半径1000 m。此无人机搭载的SONY_α7的像幅大小为6000×4000，像素大小为5.97 μm，焦距为36.33 mm。该此无人机航拍飞行试验共飞行一个架次，时长约15 min，共拍摄5条航线，136张航片。拍摄期间风力较大，考虑无人机姿态问题，故将拍摄航线设置较密，曝光时长缩短。

4 三维激光扫描数据采集与处理

该次试验采用三维激光扫描技术解决了很多复杂区域测量员难以达到导致相控点获取困难的问题，同时也避免了相控点测量时的不安全因素的发生。采用的点云数据处理软件为Focus3D专用的SCENE软件，此软件主要功能为进行点云数据的去噪、拼接以及量测等。

文中三维激光扫描数据处理的基本步骤为：

（1）点云过滤。计算机可自动删除离散点，离散参数可设。

（2）点云拼接。拼接精度检查，并根据误差数据调整拼接。拼接后的点云数据的坐标为相对坐标。

（3）RTK控制点引入配准。导入编辑好的只有三个控制点的文件，再进行一次配准使其点云数据的每个点都具有和控制点一样的绝对坐标。

（4）精度检查。精度检查分两部分，一部分为软件自身进行点云配准的精度检查，一部分为根据现场多测得其他RKT作为检核点进行坐标对比检查。

通过点云软件自身测得点云的拼接的精度误差最大为1.1 mm，最小的为0.2 mm。引入控制点后，与多采集的5个控制点数据进行点云数据的误差对比，五个点分别为1号点Δx=0.5 cm，Δy=0.7 cm，Δz=0.1cm；2号点Δx=0.4 cm，Δy=0.2 cm，Δz=0.3 cm；3号点Δx=0.3 cm，Δy=1.1 cm， Δz=0.6 cm；4号点Δx=0.8cm，Δy=0.3 cm，Δz=0.4 cm；5号点Δx=1.3 cm，Δy=0.4 cm， Δz=0.8 cm；可见误差基本均小于2 cm，可以用于提供控制点数据。（5）点云输出。将关键点云区块或整体点云导出成通用格式，如pts、las等，目的用于下一步用点云数据修正DPGrid生成的DSM文件。

5 无人机数据获取与预处理

无人机由于自身的特点导致了其数据质量不如传统飞机。主要表现为以下几个方面。

（1）内业工作量大。无人机遥感属低空遥感，其影像分辨率和空间分辩率高，由于像幅小使得像片数量多，造成内业工作量大，效率低等问题，用传统的航测软件效率低下[4]。（2）姿态稳定性差。无人机在飞行时由飞控系统自动控制或操控手远程遥控控制，由于自身质量小，惯性小，受气流影响大，俯仰角、侧滚角和旋偏角較传统航测来说变化快，而且幅度远超传统航测规范要求。（3）排列不整齐。受顺风、逆风和侧风影像大，加上俯仰角和侧滚角的影响，航带的排列不整齐，主要表现在重叠度的变化幅度大，甚至可能出现漏拍的情况。（4）旋偏角大。受侧风和不稳定气流影响，相邻两张影像一般容易出现旋偏角变化特别大的情况。（5）影像畸变大。相对专业航摄仪来说，小数码影像（普通单反拍摄的）畸变大。

此次实验无人机数据处理采用的软件均为适普公司生产的EasyMosaic快速拼接系统和DPGrid数字摄影测量网格系统。 EasyMosaic主要用于飞行质检及快速生产测区快视图，它可以快速检查测区航拍质量及有无漏飞等情况。它无需控制点数据，仅利用概略POS快速拼接测区影像图并进行航飞质量检查功能，能准确的判断影像的航飞质量及重叠度，旋转角等功能的测算。DPGrid第二代航測处理软件，不仅可以用于传统航片的处理，也可用于无人机数据处理。

通过该次Easymosaic飞行质检的结果信息可知，这次飞行的136张片子的航向重叠度最小在82.67%，最大重叠度在90.12%，旁向重叠度最小为73.34%，最大为81.75%，旋偏角最大23.59。由于重叠度过大，因此将5条航带抽为3条航带，同时剔除航片中个别旋偏角过大的片子，最后保留了45张航片再进行了飞行质检，最后质检结果最小的航向重叠度为63.21%，最小的旁向重叠度在32.32%，满足要求。因此，在后续的实验中，将这45张航片作为实验数据。

DPGrid无人机数据处理基本步骤为：

（1）参数设定及航带设置。DPGrid下的参数设定主要指相机参数的设定，POS导航数据的编辑，航带调整以及控制点文件编辑。

（2）影像预处理。无人机、飞艇等搭载的都属于非量测相机，一般要在处理之前先做畸变改正。

（3）空三自动匹配与挑点。自动挑点针对程序匹配后的同名点建立相互连接关系，进行标准点位保留点个数的筛选，此步骤嵌入了平差功能，初步剔除了测区内粗差大的连接点。

（4）空三交互编辑。空三交互编辑是一个不断平差和调点的循环过程，循环进行到像点中误差和最大像点残差以及控制点误差都达到标准即可，但最理想结果为直到迭代后误差不再变小为止。

（5）点云控制点引入。设置编辑好的控制点文件，起初的四个控制点必须要人工选定，其余的控制点可通过软件的预测控制点功能自动预测出其位置，只需要认为调点即可。该次用于空三解算的控制点数据全部来自于地面三维激光扫描的点云数据，提取的参与平差的控制点共12个。

（6）平差解算与空三交互编辑。在引入控制点后，进行了PATB光束法区域网平差，平差后同样删除错点或调整不准确的点，以及补点，然后再进行平差解算，依次循环的操作，此循环的退出条件是像点中误差和最大像点残差以及控制点误差都达到标准即可。待平差结果符合要求后，输出空三成果。

（7）创建DSM。利用输出空三成果，在加密点的基础之上进行密集匹配，生成DSM点云像点文件。建议此时文件先不进行滤波处理，可通过地面三维激光扫描的点云文件修正此文件后，再进行滤波即可。

（8）DSM修正。通过EPS地理信息工作站的点云模块的DSM修正功能，将DSM中的点在地面三维激光扫描文件中进行修正，修正原理是根据DSM的点的X，Y值匹配点云中的X，Y坐标值，将地面三维激光扫描的点云数据的Z值替换为DSM点的Z值。

（9）DEM生产及编辑。通过替换后的DSM文件生产DEM，并通过DPGridProxy.exe软件的DEM滤波功能再进行滤波处理，加上人工编辑，进一步提高DEM的精度。

（10）DOM生产及编辑。

6 精度分析

随即抽取的4个相对的169个加密点的绝对定向后的平面位置及高程误差区间见表1 。

随即抽取的4个相对的平面位置及高程中误差如表2所示。

通过立体相对测得8个控制点的高程坐标与RTK布设的8个控制点的坐标对比结果见表3。

7 结语

由精度分析结果可见，通过此方法获取的DEM和DOM的平面位置误差及高程位置误差基本符合1∶1000比例尺航空摄影测量的规范要求。因此，结合无人机技术及地面三维激光扫描技术快速制作小区域高精度DEM和DOM的方案可行。展望一：目前研究的三维激光扫描数据应用范围还停留在人工挑选相控点层面，是否可实现计算机自动挑点有待试验。展望二：试验区为地形较为平坦，试验效果较好，也基本满足1∶500比例尺地形图数据生产要求，但针对于山区，地势起伏较大的地形效果如何还需做进一步试验。

参考文献

[1] 张丽丽，王小平，张瑛.基于无人机影像生产高精DEM的实践[J].测绘技术装备，2009，11（1）：33-34.

[2] 白立飞，于广婷，卢晓龙，等.三维激光扫描技术在青岛市房地产开发中的应用[J].东国土资源，2011（3）：41-43.

[3] 张过，李德仁，袁修孝，等.卫星遥感影像的区域网平差成图精度[J].测绘科学技术学报，2006，23（4）：239-241，245.

[4] 张喜英.利用无人机影像制作1∶2000地形图[J].地矿测绘，2013，29（4）：5-7.