基于轻型无人机的海岸高精度DOM和DSM快速制作方法
Rapid Manufacturing Method of Coast High-Precision DOM and DSM Based on Light UAV

作者: 杜嘉星 , 杨一曼 , 董 箭 :海军大连舰艇学院军事海洋与测绘系,辽宁 大连; 刘康宁 :91194部队,辽宁 大连; 史 岩 :海军大连舰艇学院水面舰艇作战实验中心,辽宁 大连;

关键词: 无人机摄影测量数字正射影像数字地表模型海图Unmanned Aerial Vehicle Photogrammetry Digital Orthophoto Map Digital Surface Model Chart

摘要: 随着智能芯片朝着微型化趋势发展,无人机也在各个领域崭露头角,无人机测绘技术逐渐成为摄影测量的重要手段。无人机测绘能够较好地保证地理信息数据的现势性和满足高精度需求,且相较于传统方法具有高机动、快速、经济等优势。本文选取大连市付家庄公园为研究区,使用大疆消费级无人机快速地获取该区域的航测影像,并据此制作高分辨率DOM和DSM,在设定80 m飞行高度的情况下,单个像元的分辨率可达2.8 cm。研究表明:该方法可用于紧急情况下的快速出图,所制作的DOM和DSM能为海图要素的快速更新提供坚强有力的数据支撑。

Abstract: With the development of intelligent chip towards miniaturization, UAV is also emerging in various fields. UAV mapping technology has gradually become an important means of photogrammetry. UAV mapping can better ensure the current situation of geographic information data and meet the needs of high precision, and has the advantages of high mobility. UAV mapping is rapider and more economic compared with traditional methods. This paper selects Fujiazhuang Park in Dalian as re-search area, uses DJI consumer UAV to quickly obtain aerial survey images of the area, and products high-resolution DOM and DSM. When the flight altitude is set at 80 m, the resolution of a single pixel can reach 2.8 cm. The research shows this method can be used for rapid mapping in emergency, and the DOM and DSM can provide strong data support for rapid update of chart elements.

Abstract:

1. 引言

无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)是一种机上无人驾驶的航空器,其具有动力装置和导航模块,在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行 [1] 。无人机最早于1917年登上历史舞台,最初只服务于军事领域,伴随着航空遥感技术的发展和智能芯片的小型化,相机、雷达等遥感设备在无人机上搭载,无人机作为一项技术手段逐渐应用于各领域,从战场的侦察监视到农业的检测监控,从灾难的预测与预防到交通巡逻与巡视,无人机都发挥起了重要的作用 [2] [3] [4] 。

我国的无人机研制开始于二十世纪五十年代后期 [5] ,最初像国外一样研制是为应用于军事的靶机,目前我国的无人机研发制造体系已经走向成熟,性能指标不断提升,无人机在各方面的应用也日益广泛。在民用方面,利用无人机进行航拍摄影、对农业生产进行监控、利用无人机进行气象观测、根据无人机遥感数据制作地形图等 [6] 。在新冠疫情期间,警方使用无人机进行警务巡检、治安防控、物质运输、喷洒消毒和红外测温,无人机充分发挥了潜在价值 [7] 。在军事方面,可以当靶机进行军事训练,根据其限制少、隐蔽性好、效费比高等特点进行军事打击,也利用无人机测绘技术进行战场勘测。其低人员伤亡的优点,被各个国家广泛应用,在现代战争中的地位和作用日渐突出 [8] [9] 。

数字正射影像(digital orthophoto map, DOM)是具有正射投影性质的遥感影像 [10] 。DOM具有信息量丰富,直观性强的优点,并且数据结构简单,有良好的判读与量测性能及具有生产、更新周期短与低成本高效率的优势 [11] 。数字地表模型(digital surface model, DSM)是构建地形表面空间位置与其相关属性信息的数字化表示,它是对地形表面在地形采样数据基础上的表面重构。它可应用在城市规划、地形勘察、路径选取、灾害预测等各个方面 [12] [13] 。传统用于制作DOM和DSM数据来源有人工外业测量、航空摄影测量、遥感影像等,这些方法分别存在着耗时长、成本高、精度低等缺点,在战时或遭受自然灾害等紧急情况下,如何快速获取高精度的地理信息数据是亟需解决的问题,无人机测绘很可能是解决这一问题的有效途径。

本研究基于大疆四旋翼无人机,使用Altizure软件进行航线规划,在位于大连市西岗区的付家庄公园附近开展航测作业,获取航测影像共576幅,之后使用Pix4Dmapper和ArcGIS for Desktop软件对照片进行内业处理,使用Google Earth的高程数据进行交叉验证,实现免像控快速绘制该地区的DOM和DSM,探究在紧急情况下地理信息数据的快速获取及制图方法。

2. 数据源与方法

本研究选择的研究区大连付家庄公园附近海岸区域(图1),是大连市内著名的旅游区,测区整体呈东西走向的矩形,该区域沙滩宽度大、坡度低、沙质细腻,海水清澈透明,风浪小,地理条件十分优越,区域地形东西两侧为丘陵海岸,中部区域为开阔的海滩地带,海部和陆地要素具备,海部包括海洋、水下岸坡和礁石等要素;陆部包括森林、海滩、公园设施区、居民区、道路等要素。海部与陆部的分界线清晰可见,便于人工识别,且该区域无重要军事保密目标,无少数民族同胞居住。该区域距离大连周水子国际机场小于20 km,属于限飞区,在进行120 m以下无人机作业时无需办理特别手续。综上,该区域满足本研究的整体条件,因此将区域选为本研究的研究区。

Figure 1. Schematic diagram of research area

图1. 研究区示意图

本研究所采用的无人机为深圳市大疆创新科技有限公司(SZ DJI Technology Co., Ltd.)生产的大疆Mavic 2 Zoom,该无人机发布于2018年8月23日,为民用消费级无人机。起飞重量905 g,尺寸为214 × 91× 84 mm (折叠),322 × 242 × 84 mm (展开)。根据中国民用航空局关于无人机的分类,该无人机属轻型无人机。无人机的动力来源为锂电池供电,在无风环境下测得一个架次飞行最大飞行时间为31分钟(25 km/h匀速飞行),最大续航里程为18 km (50 km/h匀速飞行),最大抗风能力为5级。无人机飞行的控制方式为使用Altizure航摄软件来设定计划航线,并通过遥控器连接手机来控制飞行。同时,Altizure航摄软件还可支持在飞行中对飞行速度与高度进行实时调整。在对实验的航线规划设计时需要充分考虑测区的地形条件,再根据成图精度要求来确定飞行高度、航向重叠度、旁向重叠度等参数,本次实验由于测区面积较大,单架次飞行航拍作业,以确保飞行作业的安全稳定。为满足数据精度需求,将航向重叠度设置为80%,旁向重叠度设置为80%,以保证不同幅航拍照片能准确地进行镶嵌。飞行相对高度为80 m,倾斜角为90˚,镜头垂直向下。本研究进行数据采样时所采用的飞行航线如图2所示。无人机所搭载的光学相机在24 mm焦段下的视场角为83˚,单张照片的最大尺寸为4000 × 3000像素,根据计算可得到单个像元的分辨率为0.028 m。

Figure 2. UAV flight route

图2. 无人机飞行航线

Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司生产的全自动快速无人机数据处理软件,是目前市场上独一无二的集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件。研究使用Pix4Dmapper对影像进行处理,后续使用ArcGIS for Desktop软件对成图进行修饰加工。

3. 数据处理与分析

对航拍影像进行处理后得到,覆盖地表总面积约为0.17 km2,576幅影像中有526幅进行过校准,可用于DOM和DSM制图。经过对相机参数进行校正后,初始和优化的内部相机参数之间的相对差异为4.29%,每张校准图像中的匹配特征点中位数为4473个,对于一个区域的影像而言,具有的特征点数量越多,则生成的成果质量越高,具体的2D特征点信息见表1

Table 1. 2D feature point list

表1. 2D特征点列表

在研究区内选取10个具有明显地物特点的点位作为控制点,采用该地区的Google Earth高精度无偏移影像的方式来对进行无人机测绘所得DOM纠偏,之后对比通过两种数据源所得到的高程(表2)。

Table 2. Elevation obtained from UAV mapping and Google Earth

表2. 无人机测绘与Google Earth所得高程

通过无人机测绘所得到的大比例尺DOM (1:1000)见图3,DSM (1:500)见图4,对两种方法得到的高程进行皮尔森相关性分析,得出到拟合优度R2为0.953,两者呈现极强的正相关。在后续添加地面控制点进行纠正的情况下,可以得到更为准确的DSM。

Figure 3. Digital orthophoto map (1:1000)

图3. 数字正射影像(1:1000)

Figure 4. Digital surface model (1:500)

图4. 数字地表模型(1:500)

通过下载常见的DOM数据源Google Earth和Landsat 8 OLI_TIRS卫星影像数据来制作DOM,与无人机测绘制作DOM进行对比(图5)。不难发现,无人机DOM分辨率最高,对部分区域进行放大,各种地物地貌仍然清晰可见(图3),Google Earth的影像数据只能模糊的看见地物的大致轮廓,而Landsat 8 OLI_TIRS卫星影像数据则是一个个像素,对于具体的地物几乎无法辨认。由此可见无人机制的DOM精度最高,可以用作大比例尺制图。

Figure 5. DOM based on different data sources

图5. 基于不同数据源制作的DOM

4. 结论

本文通过对成果的精度和误差分析,证明了采用无人机方法具有高分辨率、周期短、效率高等优点,能够制作出符合要求的大比例尺DOM和DSM,可用于特殊情形下紧急制图,在时间紧迫的情况下快速出图。在对小区域进行测量制图任务时,传统的人工方法进行地面测绘数据采集方法成图,作业量大且耗时长;大飞机航空摄影测量成本高,受天气和空域管理的限制较多;卫星遥感影像分辨率低、重复周期长。而将无人机遥感系统进行工程化、实用化开发,则可以利用它机动、快速、经济等优势,在阴天、轻雾天也能获取精度合格的影像,从而将大量节省野外工作的时间,既能减轻劳动强度,又能提高作业的效率和精度。在军事领域,用无人机测绘技术进行情报侦察,测绘海洋、透明战场,能及时有效地保障战场环境,给指挥官一份有力的信息保障,是打胜仗的第一步,无人机正逐渐成为测绘部门的新宠儿,随着更多地方及军队测绘部门、地理信息单位的引进和使用,无人机测绘将成为今后基础地理信息数据获取的“新途径”。

基金项目

国家自然科学基金(42071439):滚动球变换的高保真TIN_DDM构建及多尺度表达。

NOTES

*通讯作者。

文章引用: 杜嘉星 , 刘康宁 , 史 岩 , 杨一曼 , 董 箭 (2021) 基于轻型无人机的海岸高精度DOM和DSM快速制作方法。 测绘科学技术, 9, 125-131. doi: 10.12677/GST.2021.94015

参考文献

[1] 李德仁, 李明. 无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2014, 39(5): 505-513.

[2] 范承啸, 韩俊, 熊志军, 等. 无人机遥感技术现状与应用[J]. 测绘科学, 2009, 34(5): 214-215.

[3] Niethammer, U., James, M.R., Rothmund, S., et al. (2012) UAV-Based Remote Sensing of the Su-per-Sauze Landslide: Evaluation and Results. Engineering Geology, 128, 2-11.
https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2011.03.012

[4] Marris, E. (2013) Drones in Science: Fly, and Bring Me Data. Nature, 498, 156-158.
https://doi.org/10.1038/498156a

[5] 刘士凯, 胡明考, 李江坤, 等. 无人机航空γ能谱测量系统的研制[C]//中国地质学会. 中国地质学会2015学术年会论文摘要汇编(下册), 北京: 中国地质学会地质学报编辑部, 2015: 6.

[6] 毕凯, 李英成, 丁晓波, 等. 轻小型无人机航摄技术现状及发展趋势[J]. 测绘通报, 2015(3): 27-31+48.

[7] 邢玉秋. 警用无人机在新冠肺炎疫情防控中的应用研究[J]. 北京警察学院学报, 2020(3): 38-46.

[8] 冯琦, 周德云. 军用无人机发展趋势[J]. 电光与控制, 2003, 10(1): 9-13.

[9] Han, Y., Liu, T. and Li, Y. (2020) Typical Representative and Trend of Military UAV. International Core Journal of Engineering, 6, 253-257.

[10] 张平. 数字正射影像的制作技术及问题探讨[J]. 测绘通报, 2003(10): 28-30.

[11] 方剑强. 生产数字正射影像图(DOM)的若干技术问题探讨[J]. 测绘与空间地理信息, 2007, 30(3): 91-93.

[12] 曹赛男, 蒋诗龙, 陶虹琳, 等. 数字地表模型构建方法的对比研究[J]. 洛阳理工学院学报(自然科学版), 2015, 25(3): 42-44.

[13] Ishiguro, S. and Sugimura, T. (2008) Generation of a High-Resolution Digital Surface Model by Combin-ing Single Images of IKONOS and QuickBird to Evaluate Damages Caused by Tsunami Disasters. Journal of The Re-mote Sensing Society of Japan, 28, 265-273.

分享
Top