無人機(jī)攝影測量在公路選線上的應(yīng)用研究

吳 磊，金偉娜，燕樟林

（浙江華東測繪有限公司，浙江杭州 310030）

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，輕型無人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，成為近幾年興起的新型航空遙感手段，特別是飛行自動控制、數(shù)字傳感器小型化等關(guān)鍵技術(shù)的突破以及國家低空空域有序開放的政策調(diào)整[1]，為低空無人機(jī)航測技術(shù)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

無人機(jī)航攝系統(tǒng)具有全天候、全天時、低成本等技術(shù)優(yōu)勢，其獲得的高分辨率影像數(shù)據(jù)可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，適合于我國信息化發(fā)展的需要[2]。無人機(jī)航攝系統(tǒng)是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充，具有靈活機(jī)動、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。

測區(qū)位于四川省會東縣境內(nèi)，與云南省巧家縣隔金沙江相望。測區(qū)全長約85 k m，縱跨寧南縣葫蘆口鎮(zhèn)、華彈鎮(zhèn)，會東縣崇興街、魯吉街、溜姑、下海子、野牛坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜，高差比較大。由于測區(qū)高差比較大，帶狀地形，且面積比較小，利用普通大飛機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)很不方便并且成本比較高，而無人機(jī)具有獨(dú)特優(yōu)勢，可以很好地應(yīng)用于這種小面積的帶狀地形，并可以在保證成圖精度的情況下縮短作業(yè)周期，降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效率。

本文主要探討無人機(jī)航攝系統(tǒng)在帶狀公路選線上的應(yīng)用，利用無人機(jī)航攝系統(tǒng)獲取航攝影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理與采集為白鶴灘水電站庫區(qū)帶狀公路選線提供1∶2000地形圖和正射影像圖D OM成果，以方便設(shè)計部門根據(jù)地形圖并結(jié)合正射影像圖科學(xué)、合理、高效地確定白鶴灘庫區(qū)公路的走向。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成

1.1 定義

無人機(jī)主要有固定翼無人機(jī)、無人駕駛直升機(jī)和無人駕駛飛艇等種類。飛行器結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低。無人機(jī)攝影測量是綜合利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、攝影測量傳感器技術(shù)、遙控程控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)的攝影測量應(yīng)用技術(shù)，能自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間信息，并完成攝影測量數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析。其工作原理如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

無人機(jī)航攝系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括飛行平臺（圖2所示）、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備。無人機(jī)航攝系統(tǒng)以無人機(jī)為飛行平臺，主要由機(jī)體、動力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、起落架及其它保證飛行平臺正常工作的設(shè)備和部件組成；飛控系統(tǒng)主要由飛控板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等部件組成；地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線電遙控器、監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)、地面供電系統(tǒng)以及其監(jiān)控軟件等組成；任務(wù)設(shè)備主要由數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)控制系統(tǒng)以及有關(guān)的裝置組成；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為空中和地面兩部分，均包括數(shù)傳電臺、天線、數(shù)傳接口等；發(fā)射與回收系統(tǒng)分為無人機(jī)發(fā)射系統(tǒng)部分和回收系統(tǒng)部分；無人機(jī)航攝系統(tǒng)的地面保障設(shè)備分為運(yùn)輸保障設(shè)備和業(yè)務(wù)運(yùn)行保障設(shè)備。

圖1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)工作原理Fig.1 The working principle of UAV aerial system

圖2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)飛行平臺Fig.2 The flying platform of UAV aerial system

1.3 配套軟件

目前的無人機(jī)航攝系統(tǒng)多使用小型數(shù)字相機(jī)（或掃描儀）作為機(jī)載遙感設(shè)備，與傳統(tǒng)的航片相比，存在像幅較小、影像數(shù)量多等問題。針對其影像的特點(diǎn)以及相機(jī)定標(biāo)參數(shù)、拍攝（或掃描）時的姿態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)幾何模型對圖像進(jìn)行幾何和輻射校正，采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行交互式的處理。同時還有影像自動識別和快速拼接軟件，實(shí)現(xiàn)影像質(zhì)量、飛行質(zhì)量的快速檢查和數(shù)據(jù)的快速處理，以滿足整套系統(tǒng)實(shí)時、快速的技術(shù)要求。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)內(nèi)外業(yè)作業(yè)流程

無人機(jī)航攝系統(tǒng)的作業(yè)流程主要包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作兩部分，如圖3所示。其中外業(yè)工作主要有測區(qū)現(xiàn)場踏勘、航線設(shè)計、無人機(jī)航拍獲取影像數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)現(xiàn)場質(zhì)量檢查、像控點(diǎn)量測、調(diào)繪等；內(nèi)業(yè)工作主要包括影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、DLG采集、外業(yè)調(diào)繪成果內(nèi)業(yè)編輯、生成DEM和制作正射影像等。

圖3 無人機(jī)航測內(nèi)外業(yè)作業(yè)流程Fig.3 The indoor and field workflow of aerial photogrammetry

3 無人機(jī)航攝成圖具體實(shí)例

無人機(jī)航測成圖實(shí)例包括航攝資料概況介紹、外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)與量測、空中三角測量、內(nèi)業(yè)測圖與編輯、DEM和DOM制作等。

3.1 航攝資料概況

測區(qū)位于四川省會東縣境內(nèi)，與云南省巧家縣隔金沙江相望，屬高山峽谷侵蝕地貌。本線路為南北走向，北起寧南縣葫蘆口鎮(zhèn)，南至?xí)|縣野牛坪鄉(xiāng)甘鹽井村，全長約85k m。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，氣候多變，地質(zhì)環(huán)境脆弱，泥石流等災(zāi)害頻發(fā)，交通不便。測區(qū)地理位置如圖4所示。

圖4 測區(qū)地理位置圖Fig.4 The block location map

3.2 外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)與量測

根據(jù)實(shí)測要求和成圖比例尺，外業(yè)要求采取區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案。具體的區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則是：平高區(qū)域網(wǎng)航線數(shù)一般為4條，且每條航線的基線數(shù)應(yīng)為20條左右。該測區(qū)共分五個區(qū)域，布設(shè)像控點(diǎn)177個，像控點(diǎn)測量起始點(diǎn)采用D級GPS控制網(wǎng)資料。像控點(diǎn)平面位置測量，原則上采用RTK進(jìn)行測量，因地物遮擋等原因?qū)Σ捎肦TK測量確有困難的區(qū)域，可采用全站儀施測或直接在首級GPS點(diǎn)上引點(diǎn)等方法測定，像控點(diǎn)高程測量采用GPS二次曲面擬合高程方法測定。像控點(diǎn)坐標(biāo)采用初始化觀測兩次固定解求平均值，整理后與刺點(diǎn)圖一起提交內(nèi)業(yè)加密。

3.3 空中三角測量

空中三角測量是攝影測量的關(guān)鍵步驟，它利用少量地面控制點(diǎn)將整個區(qū)域網(wǎng)連接成一個整體，通過區(qū)域網(wǎng)平差計算一個測區(qū)中所有影像的外方位元素和所有加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)[3]，應(yīng)用于模型定向以及后續(xù)4D產(chǎn)品的生產(chǎn)?？罩腥菧y量是攝影測量內(nèi)業(yè)工作的核心，空三精度的高低將直接影響到攝影測量的成圖精度，甚至?xí)?dǎo)致內(nèi)業(yè)成圖無法進(jìn)行。

本測區(qū)采用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)Pixel Grid（簡稱PG）自動空三加密模塊，并結(jié)合Virtuo Zo AAT進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，將外業(yè)控制點(diǎn)成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，得到外方位元素和加密點(diǎn)成果。整個空中三角測量加密過程包括收集資料及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，原始航片畸變糾正，建立測區(qū)并輸入測區(qū)參數(shù)、相機(jī)參數(shù)及像控點(diǎn)坐標(biāo)，建立影像列表，內(nèi)定向，確定航帶連接點(diǎn)布局并確定航帶偏移量，自動轉(zhuǎn)點(diǎn)，PATB平差模塊自動挑粗差，交互式編輯、補(bǔ)缺，量測外業(yè)控制點(diǎn)，PATB平差結(jié)算，符合限差后即可獲取空三加密成果。具體流程如圖5所示。

圖5 空三流程Fig.5 The workflow of AT

3.4 地形圖測量、DOM制作

無人機(jī)攝影測量適用于大比例尺的地形圖測量。在加密精度滿足1∶2000情況下在Virtuo Zo中進(jìn)行立體采集，立體測圖時定向精度滿足1∶2000測圖要求。采集時按地物、地貌先后全要素采集。為了提高測區(qū)高程精度，以野外補(bǔ)測、檢測高程為依據(jù)，對航測內(nèi)業(yè)高程點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域線性擬合，使測區(qū)高程誤差逐漸趨于最小，可以得到滿足規(guī)范精度要求的地形圖成果，如圖6所示。接著就可以利用采集得到的地形圖制作DEM，然后基于DEM做正射糾正生成正射影像DOM，如圖7所示。

圖6 1∶2000地形圖Fig.6 1∶2000 topographicmap

圖7 1∶2000正射影像圖Fig.7 1∶2000 DOM

3.5 成果精度分析

空三加密完成后，輸出空三成果，具體精度如表1所示，均滿足相關(guān)規(guī)范精度指標(biāo)。將符合規(guī)范限差要求的Pixel Grid工作站空三加密成果在Virtuo Zo攝影測量工作站中恢復(fù)，重建測區(qū)，將內(nèi)業(yè)立體測圖工作轉(zhuǎn)移到Virtuo Zo測圖系統(tǒng)完成。為更好地驗(yàn)證地形圖精度，采用RTK結(jié)合全站儀在測區(qū)量測地物點(diǎn)的方式對地形圖成果進(jìn)行檢查，外業(yè)共量測了422地物點(diǎn)，其中點(diǎn)位平面中誤差為±0.51 m，高程中誤差為±0.46m，均滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

無人機(jī)攝影測量雖然有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但由于飛行平臺不穩(wěn)定，且攜帶的為非量測相機(jī)，致使所得成果高程精度稍差。為更好地提高精度，本項(xiàng)目通過外業(yè)在測區(qū)均勻量測特征點(diǎn)并再沿公路中心線量測特征點(diǎn)的方式對DLG成果進(jìn)行糾正和編輯，以生成正式的地形圖。

表1 空三加密精度情況表Table 1:The accuracy table of AT

4 無人機(jī)攝影測量技術(shù)應(yīng)用在公路選線上的優(yōu)勢

無人機(jī)攝影測量技術(shù)同傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比，應(yīng)用在公路選線上的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）獲取周期短。傳統(tǒng)航空遙感技術(shù)，由于受客觀條件限制，不能及時獲取目標(biāo)區(qū)的影像數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)需要辦理空域飛行申請，數(shù)據(jù)的采集同樣受軍方和民航的制約，有時候一個申請就需要一個月的時間辦理，不能夠保證數(shù)據(jù)的時效性，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的使用效率，比如工期比較短的項(xiàng)目和目標(biāo)區(qū)的變化檢測等。而無人機(jī)是低空飛行，對空域申請要求限制較小，只要注冊就可以飛行，可保證數(shù)據(jù)采集的及時性和連續(xù)性。

（2）成本低，機(jī)動靈活，影像實(shí)時傳輸，比較適合小面積大比例尺的公路選線項(xiàng)目，對于地形復(fù)雜的高危地區(qū)測繪，優(yōu)勢比較明顯；能夠定點(diǎn)起飛、降落，對起降場地的條件要求不高，而且不需要專門的機(jī)場和飛行員，能夠比較靈活地選擇起飛降落的地點(diǎn)，一旦有適合航飛的天氣，則可以立即進(jìn)行航飛。

（3）數(shù)據(jù)分辨率高。由于無人機(jī)飛行高度一般在1 000m以下，其攜帶的高分辨率傳感器可以獲取最高為厘米級的分辨率影像數(shù)據(jù)，可以滿足各種比例尺的測圖和監(jiān)測需要。利用無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以獲取高分辨率的彩色影像數(shù)據(jù)，能夠豐富地表達(dá)測區(qū)內(nèi)的微小細(xì)節(jié)，可以為地質(zhì)、規(guī)劃設(shè)計、監(jiān)測等部門提供直觀的帶有豐富細(xì)節(jié)的可量測性影像成果；通過生成DEM和DOM，以此為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)三維場景漫游和添加矢量數(shù)據(jù)，設(shè)計部門不用親臨實(shí)地即可感受測區(qū)實(shí)際概況。

5 結(jié)語

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補(bǔ)充，具有靈活機(jī)動、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等特點(diǎn)，對起降場地要求不高且不需要專門的機(jī)場和飛行員，一旦有適合航飛的天氣就可以立即進(jìn)行航拍，能夠縮短航拍時間，從而縮短工期并節(jié)省成本，因此，通過無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)能夠?yàn)樵O(shè)計部門公路選線提供滿足精度要求的地形圖成果，非常適于為帶狀公路選線提供服務(wù)。利用該技術(shù)能夠快速、高效、低成本提供地形圖和正射影像圖，通過地形圖可以生成數(shù)字高程模型DEM，然后在DEM上疊加正射影像圖即可進(jìn)行三維漫游和添加矢量數(shù)據(jù)，使設(shè)計部門在辦公室里就能親身感受到測區(qū)實(shí)地的場景，從而使公路選線的決策更加準(zhǔn)確、實(shí)時、科學(xué)合理。因此探討無人機(jī)攝影測量技術(shù)在帶狀公路上的應(yīng)用具有十分重要的意義，能夠使公路選線更加科學(xué)合理，有助于我國公路選線的正規(guī)化和信息化，能夠?yàn)槲覈方ㄔO(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1]曹三明，夏興華.民用航空法釋義[M].沈陽：遼寧教育出版社，1996.

[2]劉先林.攝影測量與遙感技術(shù)的最新進(jìn)程[R].鄭州；信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，2006.

[3]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1996.