基于低空无人机航空摄影系统的大规模地形图测绘研究外文翻译资料

 2022-08-26 16:47:25

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基于低空无人机航空摄影系统的大规模地形图测绘研究

鲁荣山sup1;,*

博文管理学院桂林理工大学

桂林，中国

41156203@qq.com

大数据时代地球物理学国际会议(ICGBD)

桂林，广西，中国

摘要

结合无人机航拍系统的工作实例，研究了无人机航拍系统的现场数据采集和内部数据处理。利用南天巡AS1200航测系统对桂林理工大学博温管理学院进行航测，对获取的数据进行内外业处理研究。为了顺利完成本研究，本文（1）首先对外部行业收集的数据进行检查，即对飞机胶片的质量进行检查，检查的主要内容是检测图像的色调、分辨率、水平、胶片是否 能清楚地识别主要物体，如房屋、道路等。可以清楚地识别胶片是否重影，是否有错位和模糊性等。如果胶片有模糊或其他质量问题，则需要进行重测或重测，这一步主要是为了保证研究数据的质量，为行业处理数据做好基本保证。

  1. 对于内部数据的处理，本文采用图像数据失真预处理的校正模型、提取像特征的算术方法和边缘检测算子方法、基于特征的图像匹配Greenfeld-Schenk方法、Bamard-Thompson方法和跳转方法等方法对图像进行匹配，同时，本文还采 用了内部数据处理的空中三角剖分方法，完成了测量控制点加密工作，从而计算了加密控制点的空间坐标，减少像控制点一样的现场铺设工作，从而减少现场的工作时间。（3）为了提高航空地区地形高程点的精度，本文采用多态曲线法，利用检查点的现场高程测量值与三维测量值不匹配的差异，采用最小二乘方法拟合，使高程检查点曲线拟合值变化和实际差异最小，具有测量区域高程精度。

1. 导言

在20世纪70年代，由于电子速度计的出现，大规模的数字制图技术开始起飞。 在20世纪80年代初，全站电子测速仪的出现在数字制图技术的研究中变得更加普遍(Gao等人， 2015年)。目前比较常见的国内外站用仪器有：徕卡，天宝，托普康等。 已经开始在这个时候，整体的使用车站仪器测绘，大规模的数字地形图方法主要包括：素描法、电子平法、物体属性编码法和测量法。利用GPS技术和全站仪进行1：500大规模农村土地调查的优势非常明显，两者的结合应用使地图的准确性得到了保证 (Yang，2015)。 将RTK技术应用于大比例尺地图，使大比例尺地图绘制的技术方法更加方便，也提高了成果质量。 在土地保有权工作中，车载测量系统已被很好地用于数据收集、高密度点云计算和绘图智能(Zhang等人，2016年)。

现代无人机因其独特的优越性和独特性而在相关行业受到欢迎，特别是在无人机摄影测量技术服务的广泛领域 (Herwitz等人，2002年；Herwitz等人，2004年； Remondino等人，2011年。 在生产大型地形图的无人机摄 影测量系统中，对于无人机图像处理系统，国外主流软件 有瑞士pix4D 生产PIX4DMAPPER无人机数据和航空图像处理软件，欧洲 Inpho的Inpho摄影测量系统InfoTerra开发的“像素工 厂”(Ma，2018)。 中国主要有张祖勋院士开发的网格处理 系统，DPGrid系统和JX-4系统，北京清华汕尾的EPS数字三 维测绘软件和航天视觉公司的新型数字摄影测量系统地图 矩阵。 郑惠琴探讨了基于无人机航拍图像的武夷山测区 1：1000比例尺比例尺地图的关键技术及其制作的可行性（邓，2011）。 沈洁等。（2017）利用小型无人机获取图像数据，验证了无人机低空摄影测量在水利设施设计和应用中的优势。

论述无人机航拍系统外部图像数据的获取过程和内部图像数据的处理，描述基于无人机航拍数据的制作数字地形图的方法。通过对无人机航测所得数据的处理，数字地形图的制作和精度分析为数字地形图的制作提供了很少的新思路，为实际应用奠定了理论基础。

2. 实验数据、实验数据及其处理

2.1 实验数据采集

本次航测以桂林理工大学博文管理学院燕山校区实验为基础。 校园位于桂林市雁山区。位于广西壮族自治区东北 部，桂林市南部。它成立于1996年底。东接灵川县，西接临桂区，南接阳朔县，北接象山。区和七星区。燕山地区是典型的喀斯特地区，有多个岩石山和丘陵地貌。 地 处低纬度地带，属于亚热带季风气候。桂林理工大学博文管理学院位于桂林市燕山镇西南，距市中心约45公里。 与 桂林理工大学相连，占地约800亩。测区相对密集，人流量特别大。测区地形起伏程度比较明显。桂林理工大学鲍文管理学院新购置了一台南方天空之光AS1200无人机及相关图像处理系统。现在，为了更新校园地理信息数据， 也为了测试设备，对测试区域进行了航空摄影操作。研究区域如图1所示如下：

图1。 桂林理工大学鲍文管理学院研究区域

理工大学

如果检查结果不符合内部数据处理的准确性要求，则对图像质量较差的区域进行重测或重测。在重测期间选择晴朗，无云的天气，以确保两次采集的图像的色调基本保持不变。

2.2 数据准备和预处理

(a) 数据准备

数据预处理需要航拍相机，相机曝光参数，POS文件等相应数据准备完成。所有图像必须放在统一的路径下，图像名称必须与POS数据名称相同。相机的所有相关文件都需要 根据相机检查文件手动组织，相机的文件包括：相机焦距，像主点，CCD大小，径向失真系数，像素大小，偏心失真系数，CCD非正交失真 系数和非PIXEL平方尺度系数，分离器使用空格。

(b) 数据预处理

南方天空巡逻AS1200无人机航拍采集数据后，在使用南方无人机成像行业数据处理前对数据进行简单整理，对记录的POS数据文件格式做相应修改，因为进口到南方无人机 POS数据满足系统的格式要求，否则无法导入南方无人机系统。打开南南无人机系统，新建工作区，根据相应的工作界面项目，依次选择校准，飞行视频，POS，图像控制点和检查点文件导入视频数据。图像要按照路线排列，顺序不能错，不能有遗漏，否则不能进行后续处理工作。POS文件和控制文件需要确定文件类型，检查点需要与句柄文件类型一致。系统自动计算图像的参数，定向工作自动完成， 此过程不需要人为干预。如果您使用的是南方无人机，默认类型可以直接选择POS数据，如果POS文件或控件不是南方无人机的默认格式，则需要重新定制POS格式，并在导入数据后处理数据。

3. 研究方法

3.1 空中三角测量

航空三角剖分是图像数据处理的关键过程，包括通过计算刺点控制点后的平差，自动提取连接点的相对方位和绝对方位。相对定向的目的是恢复构成对的两块的位置，创建主体的空间位置特征向量桩，并获得每个向量的相对定向参数。 像对具有连续性和个性两种形式，固体相对取向也根据图像对的形式分为两种。 连续图像对的相对方位以左片为基准，推导出右片相对于左片的5个相对方向元素，进 而可以利用空间前交原理，求解模型点的空间辅助坐标，构建数字模型。由相对定向产生的立体模型向量位于没有固定尺度因子的空间辅助坐标系中，而绝对定向是将图像 坐标和摄像机定向转化为空间地理坐标系的实现过程(Lu， 2014)。

使用南方无人机系统进入空三解决方案页面后，可在中间下拉框选择处理策略：效率优先，精度优先。执行启动计算命令，计算机将自主进入空三解过程。在解决系统的过程中，根据图像的重叠程度和姿态，适当地删除一些图像，因此在开始工作之前，必须在其他路径中备份原始数据。在求解过程中，根据重叠和图像姿态，一些图像将被适当删除，因此在开始作业之前必须是其他路径下备份的原始数据。空三完成后的输出加密是以图像形式描述的DOM和以点云形式描述的DSM。

3.2 多变形曲线是合法的

通过建立多项式曲线数学模型，模拟高程校正，利用现场高程测量值与检查点的立体测量值不匹配，拟合最小二乘法，使值的变化和高程检查点曲线拟合的实际差异最小，从而提高了高程检查点的精度测量区域的标高。假设检查点的现场高程值为Delta;z高程立体测量是z′ 当两者不相等时，不符合度值为∆Z=Z-Z′ ，那个z 作为高程校正值，第二个倍数表达式如下：

上式中有3个待定参数，从高程检查点中选取至少3个检查点，由列方程计算。 根据多余观测值，列出多项式误差方程，用间接平差法计算修正参数，z作为观察。

误差方程为：

选择n个高程检查点，你可以列出误差方程，并将误差方程改写为矩阵形式如下：

用最小二乘原理计算待定参数。

将计算出的待定参数值代入公式，并根据高程立体测量值z 检查点的高程校正值 k z可以计算检查点的值，并进行校正zeta;、g 标高值计算。将校正后的高程值与现场高程的实测值进行比较，进而得出可以达到的高程精度指标为评价。

3.3高程表面拟合

设高程改正值为xi;，f（ x, y）为对x、y的拟合趋势面为拟合误差。公式表示如下：

4.实验结果与分析高程精度的改进

4.1数字正投影图像(DOM)制作

数字正射影像图(DOM)是一组正射影像图正确地将摄影作品的元素嵌套进去转动，并修剪它以创建一套正射影像与具体的标准框架。DOM的优点是高准确，信息量大，内容丰富，非常生产速度快，电流潜力大。有很多制作DOM的方法，主要有:正投影校正、差动校正、全数字摄影测量等。的数字正射影像图(DOM)的结果文章如图2所示。

图2(a)数字正射影像图(DOM)结果

图2(b)局部数字正投影图像(DOM)结果

图2(c)局部数字正投影图像(DOM)结果

4.2数字表面模型(DSM)和数字高程模型(DEM)生产

数字高程模型(DEM)是一种数值模型表示表面的高低起伏形态学，由一组规则的点组成。它是基本符合数字表面模型(DSM)当代表地面起伏的区域时(Fu等, 2012;他等人，2012;Li等人2012)。关键的区别DEM与DSM之间的区别在于DEM不包含土地类型如树木和建筑。有必要编辑DSM在制作DEM之前。有很多方法来建立DEM: (i)传统的测量方法是采集利用全站仪、GPS等直接在野外坐标数据;从现有地图取得;(iii)使用摄影测量技术。本文介绍了无人机摄影测量的方法是用来收集点坐标数据的，而数字正射影像被进一步处理以产生数字图像高程模型(DEM)。主要的工作流程是先生成一种基于图像匹配和绝对的点云数据集，然后进一步建立规则的DEM到高密度点云数据集。

空三加密解决方案完成后，一个数字表面模型名为dsm。厚度将在调查中产生区域项目目录。数字表面保存的格式模型(DSM)是可以浏览的点云数据点云通过浏览工具。数字表面模型如图3所示。

图3数字表面模型(DSM)结果

编辑数字表面模型(DSM)后，DEM为以点云的形式生成。目前,许多地理信息系统应用程序需要栅格化数字高程模型(DEM)，所以点云形式的表达式更进一步转换成栅格形式。下面的图4显示伪高程图为0.5m的DEM时间间隔。

图4伪彩色高程数字高程模型(DEM)结果

4.3数字地形图制作

DOM具有精度高、信息量大的特点更直观。在城市和区域中得到了广泛的应用规划(陈,2011;Zhang等，2009;Zhang et Al, 2014)也可以制作一个大比例尺的数字地图。在这一次，我们需要导入由导出的三个空结果南方无人机进入数字摄影测量工作站，采集地物数据，制作数字线形图(DLG)，最后生成数字地形图。对于一些模糊或有阴影的特征，他们应该立即标记给外部行业,为了这个遗漏。现场映射和修复测试主要使用全站仪、GPS等测量工具以编制的原始图片为底图，描绘出其特征内部收集，并更正收集的内容功能，严格遵循低空相关数字摄影测量领域实践的要求保证测绘质量(田，2014)。最后,数字线形图(DLG)被编辑成所需的数字地形图按数据格式要求绘制南方社科院测绘软件。如图5所示。

图5测区局部地形图

4.4 提高了高程精度分析

本文采用多项式曲线数学模型，高程曲面拟合方法和Akima 曲线拟合方法对航测区地形图高程点进行曲线拟合。 工作区选取精度相对较高的8个高程检查点求解高程修正模型的多项式参数，其余12个点作为高程拟合前后的精度校核。

4.4.1 采用多项式曲线拟合修正高程.根据12点高程数

据修正后检查点高程误差的最大值和最小值分别为0.40m 和0.03m，修正后的高程中的误差也计算为0.240m。检查点校正前后高程误差分布如图6所示。

图6多项式曲线拟合精度比较.通过比较，高程检查点校正前误差为0.343m，最大误差为0.66m，校正误差为 0.240m，最大误差为0.40m，总体精度提高0.300倍。 测区高程检查点拟合后，提高地形图高程精度。测区检查点高程前后精度比较见下表1：

表1多项式曲线拟合的精度比较高程拟合前后的方法

4.4.2高程曲面拟合方法

根据12点高程数据，最大和之后检查点海拔误差的最小值校正值分别为0.43m和0.09m，误差在修正后的高程也计算为0.286m。检查点前后的海拔误差分布修正如图7所示。

图7曲面拟合方法精度

比较相比之下，错误前的标高检查点修正值为0.343m，最大误差为0.66m修正误差为0.286m，最大误差为0.43m

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