熊康妮 左小清 麻源源 张宁

摘要：与传统摄影测量方式相比，无人机摄影测量技术作业模式具有易于操作、设备和作业成本较低、受气候和场地影响较小等优点，可以高效快速获得高分辨率遥感影像，是航空摄影测量和航天遥感测量等传统方式的有效补充。采用Inpho软件系统对无人机航测数据进行处理，得到正射影像图并进行精度分析。无人机数据分别来自两个特征明显的地形：平地与山地，通过成果精度检验与探讨，结果表明：两种DOM成果均满足精度要求，无人机航测技术适用于山地、平地等不同地形条件下的工程测量。

关键词：INPHO；无人机航测；DOM；摄影测量；空三加密；精度分析

DOI：10.11907/rjdk.173115

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2018）007-0184-05

Abstract：Comparedwiththetraditionalphotogrammetry，UAVphotogrammetrytechnologyoperationmodeisflexibleandeasytooperate.Theequipmentandoperationcostsarelower.Alsoitisaffectedlessbytheclimateandthesiteanditcanobtainhighresolutionremotesensingimagequicklyandefficiently.Itisaneffectivesupplementofaerialphotogrammetry，spaceremotesensingandothertraditionalmethods.ThispaperusesINPHOsoftwaresystemtodealwiththeUAVaerialsurveydatasoastogetthedigitalorthophotomapandaccuracyanalysis.UAVdatacomefromtwoterrainsdistinctfeatures：flatterrainandmountainousterrain.Throughtheresultsofprecisiontestanddiscussion，theconclusionsisthatthetwoDOMresultsmeettherequirementsofaccuracy，andunmannedaerialvehicle（UAV）aerialsurveytechnologyissuitableforengineeringsurveyunderdifferentterrainconditions，suchasmountainsandflats.

KeyWords：INPHO；UAV；DOM；photogrammetricsurvey；aerialtriangulation；precisionanalysis

0引言

數字正射影像图（DigitalOrthophotoMap，DOM）是以对航摄像片或遥感影像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[1]，具有地形图的几何精度和影像特征。数字正射影像图具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点[2]，可作为地图分析背景控制信息，也可从中提取自然资源和社会经济发展的历史信息或最新信息，为灾害防治和公共设施建设规划等应用提供依据[3]，从中还可提取和派生新的信息，实现地图的修测更新。文献[4]在摄影测量所形成的区域范围内，利用原始影像、定向参数及DEM，通过数字投影处理方法，用无缝镶嵌的数字正射影像和立体辅助影像形成对摄影区域范围内无缝立体覆盖；文献[5]以无人机影像为遥感数据，生产出高精度的数字表面模型（DSM）和数字正射影像图（DOM），使用面向对象的影像信息提取技术和GIS空间分析技术，对冠幅、树高、郁闭度、林分密度等森林参数信息进行提取，并结合实地调查数据对提取结果进行对比与分析，编制了航空立木材积表；文献[6]通过试验证明，低空无人机遥感能够快速获取石油管道中线附近的地形图，而生成的正射影像完全可以满足石油勘探对炮点和井位的布设与选择；文献[7]基于无人机航摄影像及数据制作了呼和浩特市回民区1∶2000正射影像图，验证了采用该系统进行航空摄影测量以及无人机航摄影像、数据制作大比例尺正射影像图的可行性。

云南元谋属于低纬度、高海拔区域，地形起伏较大，平均海拔在1500m左右，是云贵高原的组成部分。本文主要分析不同地形条件下的DOM精度问题。首先获取云南元谋无人机外业数据，整理出两组地形特征明显的数据，如山区和平地作为测区，利用Inpho软件对两组数据进行处理得出DOM成果，最后验证两组数据的精度是否符合标准并分析比较两组数据的精度，从而证明无人机航测在不同地形条件下都能得到很好的应用。

1DOM制作原理

DOM采用数字微分纠正技术解决投影差的问题，从而将中心投影生成的影像纠正为正射影像[8]。数字微分纠正是以已知影像的参数即内外方元素与DEM，通过相应的构象方程式或按一定的数字模型用控制点解算，从原始非正射投影的数字影像获得正射影像。这种过程是将影像化为很多微小的区域逐一进行。数字微分纠正的基本原理为实现两个二维图像之间的几何变换。

设任意像元在原始影像与纠正影像中的坐标分别为（x，y）、（X，Y），它们之间存在映射关系如式（1）所示。

通过式（1）求解像素位置，然后进行灰度内插与赋值运算，实现像素与相应地面元素的几何变换。数字微分纠正分为直接法数字微分纠正和间接法数字微分纠正。本文利用间接法进行单元数字微分纠正，将单片正射影像镶嵌，在注记地名、整饰公里格网和图廓后生成DOM。

2基于INPHO软件的数字正射影像图制作

INPHO有基于Windows和Unix的数字摄影测量软件包，可对不同类型量测相机的影像快速进行区域空中三角测量、影像匹配和影像纠正[9]。前期从外业像控点的布设和联测得到的数据和无人机影像图经过简单预处理后可导入到Inpho软件进行正射影像图制作，制作路线如图1所示。

2.1资料准备

楚雄市元谋县地处东经101°35′～102°06′、北纬25°23′～26°06′之间，国土面积2021.69km2。由于整个元谋测区范围广泛，本文只采用小范围的平地测区和山地测区为例，利用INPHO软件进行数字正射影像图制作。两个测区各布设4条航线如图2和图3所示，航向重叠率75%，旁向重叠率50%，航摄比例尺12000，相机像素大小为4.9μm，每个测区共有航片48幅。

在数据处理前期需要准备原始像片、相机文件（包括相机类型、像幅大小、像素大小、焦距、主点偏移量以及相机畸变差系数等）、POS数据（影像的初始外方位元素，主要包括序号ID、X坐标、Y坐标、高程Z、Omega角、Phi角、Kappa角）、外业像控点资料（选择野外的实地位置和像片的影像位置都可以明确辨认的点）。数据准备好后，需要对影像的文件格式进行整理，利用ACDSee软件将JPG格式的原始像片转换为TIFF格式，利用高斯克吕格投影转换软件将POS数据的经纬度坐标转换成高斯坐标，结合相机参数对相片进行畸变处理。在摄影机物镜畸变改正中，像点坐标改正公式如式（2）所示。

2.2新建工程

用UASMaster新建工程后，进行相机文件参数的设置、数码影像导入、POS数据导入、像控点导入、航带建立。在进行相机参数设置时，相机参数的填写应遵从相机检校报告，因为相机参数的设置将直接影响到航线。导入影像时所需的平均地形高为像控点成果中高程的求和平均值。导入POS数据时，其ID应与像片ID保持一致。最后打开多像片测量检查影像的排列顺序以及旋转角度是否合理，如影像的排列顺序及旋转角度不合理，进入编辑项目的航条就要更改属性。建好工程后，通过对RGB通道的真彩设置和图块结构执行，建立像片金字塔影像，以提高效率且便于后续连接点匹配。

2.3空三加密

解析空中三角测量指航空摄影测量中利用像片内在的几何特性，在室内加密控制点方法[9]。即以像片上测量的像点坐标为依据，利用比较严密的数学模型，按照最小二乘法原理，用少量地面控制点为评查条件，用数字电子计算机解算测图所需地面控制点的空间坐标[10]。该方法具有在不触及被测量目标情况下即可测定其位置和几何形状，可快速在大范围内同时进行点位测定以节省野外测量工作量，不受通视条件限制，区域内部精度均匀且不受区域大小限制的优点。解析空中三角测量按数学模型可分为航带法、独立模型法和光线束法。其中光束法容易引入各种辅助数据，理论最严密、解算精度最高，成为应用最广泛的区域网平差方法[11]。

光束法解析是以一個摄影光束为平差单元，以共线方程为理论基础建立的误差方程，满足全区域内同名光线相交的条件。进行全区域的统一平差，求解各像片的外方位元素和未知点的地面坐标[12]。所谓共线方程指中心投影的构象方程，即在摄影成像过程中，摄影中心S（Xs，Ys，Zs）、像点a（x，y）及其对应的地面点A（X，Y，Z）三点位于一条直线上，如公式（4）所示。

到像主点坐标O（x0，y0）的共线条件方程推导公式如公式5所示。

总的来说，空三加密通过采用影像匹配算法在相邻航片和相邻航线间建立像片连接点，同时利用共线方程和平差，结合POS点，可求出航测时的姿态参数和拍摄位置，从而得到航片的外方位元素，为影像纠正提供参数。在空三加密进行自动连接点提取与测区平差时，如果无人机的导航姿态精度不高，可以不用IMU选项。自动连接点提取与测区平差后，查看平差统计，删除小部分差异很大的粗差。匹配连接点后，在地形查看器中查看影像连接，如果连接点少，则要加连接点，连接点添加前后对比如图5所示。

在测区4个角刺4个控制点，平差计算后，预测剩余的控制点，打开全自动一一刺准，使控制点快速添加完毕，刺控制点如图6所示。

对连接点质量和控制点残差进行检查，经过调整满足精度要求后，可导出并整理精度统计报告。表1为平地测区的精度报告，表2为山地测区精度报告。

因为山区存在特征点少问题，因此控制点要比平地少，但是两者的精度差距较小。精度报告表明，空三成果满足1∶2000测图精度要求[15]。

2.4DEM建立与编辑

利用内置高效影像匹配算法，可从各像对相邻航片中提取同名像点，自动获得各测区数字高程模型DEM，从而为正射影像图的微分纠正提供改正数据。在一定程度上DEM的网格大小决定了计算速度和航片纠正精度，网格的大小设置须根据实际情况进行[13]。为了获取DOM数据，DEM格网的间隔参数可用10～20m的格网间隔。利用DEM生成等高线如图7所示，区域剖面如图8所示。

2.5正射影像生成与编辑

正射校正过程需要建立正射影像工程，导入DEM，设置重叠度、输出参数。应特别注意的是，在重叠度设置中，正射影像的重叠度为100%并且裁剪率为0～5%。通过投影差理论可知，投影差与像主点的距离、地物距离和地形高差大小成正比。因此，在选取影像时应尽可能选取每张航片靠近像主点，从而得到好的纠正效果[14]。正射校正后，应进行图像的拼接匀色处理，需要添加项目数据，设置输入范围，影像图自动拼接完成。如果影像数据太大，要分块输出。软件分块最大输出为4G，常规为3.5G左右。最后根据分幅要求裁切成需要的正射影像图，不同的测图软件需要的数据不一样，所以要根据测图软件导出不同格式的数据成果，完成正射影像图制作，如图9所示。

3成果分析

生成正射影像成果后，需要对其进行精度分析以保证成果的可靠性。通过对山地和平地DOM成果的比较，分析在不同地形中无人机航测精度的差异。本例中在两个测区各选取3个野外控制点作为检查点，通过外围像控点进行区域网平差计算，其精度对比如表3、表4所示。

根据平面和高程中误差计算公式，把上面的数据带入公式（6），计算控制点和检查点的平面中误差及高程中误差。

通过表（1）-表（4）的计算，可得平地控制点平面中误差为0.22m，高程中误差为0.14m，检查点平面中误差为0.307m，高程中误差为0.169m；山地控制点平面中误差为0.28m，高程中误差为0.23m，检查点平面中误差为0.311m，高程中误差为0.207m。结合表5可得用INPHO制作的DOM满足精度要求。

4结语

无人机航测在小区域、地形复杂地区和快速测量等方面具有优势。数字正射影像图具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，将云南元谋县平地测区和山地测区两块无人机航测数据进行编辑，通过INPHO软件制作数字高程模型，对两个测区的精度进行分析比较，得出以下结论：

（1）相较于平地，山地地形起伏较大，地形复杂，地物特征较少，这增加了控制点的获取难度和精度分析的准确性。

（2）INPHO软件对数码影像数据进行空三加密，具有高精度、高效率、高自动化的特点，能够实时发现外业中的粗差点并快速有效地完成空三数据处理，提高了作业效率和精确度。

（3）无人机数据制作的DOM满足精度要求，可应用于山地与平地等不同类型的地形中，与传统测量手段相比，具有获取影像机动灵活、影像分辨率高、成本低等优势。因此，无人机航测具有很好的发展前景及应用价值。

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（责任编辑：杜能钢）