無人機(jī)航測在亭口水庫1∶500地形測量中的應(yīng)用

焦　旺，劉　凱

(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院,西安　710002；2.西安市勘察測繪院，西安　710048)

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無人機(jī)航測在亭口水庫1∶500地形測量中的應(yīng)用

焦旺1，劉凱2

(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院,西安710002；2.西安市勘察測繪院，西安710048)

摘要：根據(jù)無人機(jī)航測技術(shù)的特點，布設(shè)野外地標(biāo)點和檢核點，通過無人機(jī)外業(yè)航攝及內(nèi)業(yè)中聯(lián)合使用Pix4DMapper、CASS和ArcGIS等軟件，使最終地形圖的平面和高程精度達(dá)到了1∶500地形圖的要求，為無人機(jī)在復(fù)雜的水庫地形測量中的應(yīng)用提供了一套完整的解決方案。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；Pix4DMapper；CASS；點云數(shù)據(jù)；地形圖

0前言

無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱，是利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1-2]。無人機(jī)航測是以無人駕駛飛機(jī)作為空中平臺，使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)為載荷獲取低空高分辨率實地照片，使用計算機(jī)及相關(guān)軟件對圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定的精度要求獲取所需測繪產(chǎn)品的技術(shù)方法[3-4]。近年來，隨著技術(shù)和設(shè)備的不斷成熟完善，無人機(jī)航測以其結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、反應(yīng)快速、易于轉(zhuǎn)場、使用成本低、安全系數(shù)高、多元化多角度鏡頭、獲取影像分辨率高等優(yōu)勢[5-8]，在與技術(shù)成熟但成本高昂、程序繁瑣的傳統(tǒng)航空攝影測量以及費時費力的全站儀、GPS-RTK等全野外數(shù)字測量方法的競爭中，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1工程項目及設(shè)備

亭口水庫工程位于陜西省咸陽市長武縣亭口鎮(zhèn)涇河一級支流黑河下游。水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高49 m，總庫容2.47億m3，年平均供水量7 180萬m3。工程靜態(tài)總投資24.80億元，于2011年11月開工建設(shè)，規(guī)劃建設(shè)工期4 a。

本次任務(wù)為1∶500地形圖補(bǔ)測。補(bǔ)測區(qū)域?qū)偎畮炫涮坠こ虆^(qū)，位于距離水庫大壩約2 km的一條支溝內(nèi)，長約750 m，寬約200 m，面積約0.18 km2，高程介于900.00～955.00 m之間。該支溝系失陷性黃土長期受雨水沖刷形成，地形復(fù)雜、支離破碎，溝側(cè)北坡植被以灌木為主，南坡以疏林為主，溝底自上游到下游形成一條寬約15～20 m的平緩地帶，雜草藤蔓叢生，人工施測難度較大。于是項目組決定使用無人機(jī)航測進(jìn)行此次補(bǔ)測。

針對航測任務(wù)使用P700型無人機(jī)系統(tǒng)，搭載相機(jī)為SONYα7R數(shù)碼相機(jī)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件為Pix4DMapper，它是由瑞士Pix4D公司開發(fā)的一款集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。只需簡單操作，即可將數(shù)千張影像快速制作成專業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型[9]。

2外業(yè)航攝及內(nèi)業(yè)計算

2.1外業(yè)航攝

2.1.1規(guī)劃任務(wù)

任務(wù)規(guī)劃在無人機(jī)系統(tǒng)自帶軟件Avian-P上進(jìn)行?？紤]到以P700型無人機(jī)的航攝效率，在一個架次內(nèi)拍完目標(biāo)區(qū)域仍有極大富余，項目組劃定了一塊以補(bǔ)測區(qū)域為中心，長2 160 m，寬475 m的更大的區(qū)域進(jìn)行航攝，即兼顧與原有實測數(shù)據(jù)接邊問題。根據(jù)規(guī)范要求，像片航向重疊度宜為60%～80%，旁向重疊度宜為15%～60%，測制1∶500地形圖時像片地面分辨率(GSD)應(yīng)≤5 cm[10]。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整，最終確定的航攝方案概況為：共飛行一個架次,規(guī)劃航線4條，蛇形路線飛行，相對航高350 m，最小GSD為4.9 cm，航向重疊77%，旁向重疊56%，固定3 s拍攝一張，總飛行時間預(yù)計為30 min。

2.1.2控制點及檢核點的布設(shè)與實測

測區(qū)內(nèi)沒有明顯地物，但已有高等級控制，在航攝前人工制作地面控制點及檢核點并進(jìn)行觀測，具體實施步驟為：在航攝任務(wù)規(guī)劃完成后，利用Google Earth在航攝區(qū)域內(nèi)布設(shè)了9個地面控制點及4個用于檢驗測圖平面精度的檢核點，并獲取其經(jīng)緯度。使用手持GPS實地放樣控制點及檢核點點位，就近選擇合適位置，制作地面標(biāo)志。標(biāo)志點坐標(biāo)和高程的測量，使用華測X900型GNSS接收機(jī)進(jìn)行RTK測量，每點測量2次，取2次測量平均值作為其最終結(jié)果。在測制上述標(biāo)志點的同時，項目組還在測區(qū)內(nèi)隨機(jī)分散采集了60個地形點用于檢驗成圖的高程精度。

2.1.3選取起降場地及起降時段

作業(yè)前，首先在Google Earth上選取若干可以作為無人機(jī)起降的地點：測區(qū)東北500 m及測區(qū)東南1 300 m處分別有山頂平地，面積均符合要求。實地考察發(fā)現(xiàn)，東南處預(yù)選址雖然距測區(qū)較遠(yuǎn)，但更為開闊，且范圍內(nèi)無信號塔、高壓線塔等障礙，故選定此處為無人機(jī)起降場地。作業(yè)當(dāng)天，當(dāng)?shù)靥鞖馇缋剩芤姸容^高，微風(fēng)，飛行選取了一天中太陽高度角最大的正午進(jìn)行。

2.1.4起飛前檢查及準(zhǔn)備

起飛前檢查、準(zhǔn)備工作主要有無人機(jī)、彈射系統(tǒng)及地面導(dǎo)控站的組裝，相機(jī)測光，聯(lián)機(jī)調(diào)試，上傳飛行任務(wù)等。一切檢查無誤后，把無人機(jī)固定在彈射架上，擇機(jī)起飛。開啟地面控制站，根據(jù)導(dǎo)控站高程、測區(qū)最低高程和任務(wù)規(guī)劃時確定的相對航高確定最終的相對航高。

2.1.5航攝及數(shù)據(jù)檢查

按照預(yù)定任務(wù)進(jìn)行航攝。收回飛機(jī)后，下載飛行記錄數(shù)據(jù)和照片，分別打開照片放大到100%，觀察是否清晰銳利，色彩飽和；打開Pix4DMapper軟件，使用快速檢測得到快速檢測報告，查看航攝有無空洞和扭曲，航向重疊和旁向重疊是否足夠。如上述步驟滿足要求則數(shù)據(jù)合格。

2.2內(nèi)業(yè)計算

使用Pix4DMapper軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)計算，大致流程為：新建工程→加入影像和對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)→設(shè)置影像坐標(biāo)系和相機(jī)參數(shù)→生成初步處理報告→加入地面控制點并設(shè)置地面控制點坐標(biāo)系和輸出坐標(biāo)系→加刺像控點→生成高精度處理報告、空三加密后的數(shù)字地面模型、三維點云數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像圖。圖1為加刺像控點后,經(jīng)過高精度處理生成的計算報告。該報告表明數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，可以進(jìn)一步的處理計算。

3地形圖的制作

航測內(nèi)業(yè)成圖目前成熟的做法是利用空三加密成果構(gòu)建立體模型，由經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練的專業(yè)技術(shù)人員在數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上使用手輪腳盤鼠標(biāo)等外接設(shè)備手動進(jìn)行采集和編輯。由于編輯量過大，無人機(jī)航片片幅過小等原因，本次測量中項目組嘗試了一種新方法。

圖1　高精度處理報告圖

Pix4Dmapper在對航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行空三計算時，可以根據(jù)需要選擇生成具有和輸出坐標(biāo)系一致的可供量測的三維點云數(shù)據(jù)。該點云數(shù)據(jù)根據(jù)空三成果自動匹配DEM得到，其中每個點都有確定的、滿足精度要求的平面坐標(biāo)和高程值。因此，可以在Pix4Dmapper中利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行地形點的采集，以取代傳統(tǒng)手輪腳盤采集等高線及打高程點的過程。

圖2　點云數(shù)據(jù)手動采點圖

由于測區(qū)植被覆蓋較多，采點由具備野外測圖經(jīng)驗的人員手動進(jìn)行：按高程逐行采點，每行間隔10 m高差，平緩處采點間距控制在15 m以內(nèi)，地形變化較大處增加密度(圖2)，且此過程中針對地性線進(jìn)行專門繪制，即將山脊、山谷、坡頂及坡底、陡坎上下等用復(fù)合線表示出來。軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件格式不能直接用于南方CASS2008，需經(jīng)過ArcGIS轉(zhuǎn)換后方能導(dǎo)入。在南方CASS2008中，用高程點建立三角網(wǎng)，并讓之前繪制的地性線參與三角網(wǎng)的創(chuàng)建，以確保三角網(wǎng)走向的正確性，然后選取1 m等高距，生成等高線。事實表明，地性線的繪制為后續(xù)的等高線修改編輯減少了工作量，且能夠繪制出準(zhǔn)確逼真的等高線而不至于因高程點采集不合理而造成等高線與實際地形不符的問題。需要指出的是，此方法還應(yīng)配合使用正射影像圖繪制地物，進(jìn)而合成要素完備的地形圖，但因測區(qū)內(nèi)幾乎不存在地物，故省略此步驟。最終成果如圖3所示。

圖3　地形圖成果圖

4精度評定

4.1平面精度評定

4個檢核點中，J1、J4分別位于測區(qū)兩頭，J2、J3位于測區(qū)中區(qū)兩翼。在點云數(shù)據(jù)中找到4點位置，測量其坐標(biāo)并記錄。將實測坐標(biāo)和點云采集坐標(biāo)對應(yīng)比較，得到的結(jié)果見表1。

表1　平面點誤差統(tǒng)計表　/m

依據(jù)規(guī)范，檢測點數(shù)量少于20時，以誤差的算數(shù)平均值代替中誤差[11]，由此算得點位中誤差M=±0.153 m，符合規(guī)范對山地1∶500地形圖平面位置中誤差不大于±0.4 m的要求[10]。

上述平面精度檢測方法客觀上是存在缺陷的，因為檢測點個數(shù)過少，得出結(jié)果的可靠度并不高。但是由于航測中，平面精度相比于高程精度更容易達(dá)到，且在水利水電行業(yè)中，高程精度相對于平面精度更加重要，因此，可將平面精度的檢查作為參考，而把高程精度的檢查作為地形圖精度檢查的重點。

4.2高程精度評定

(1)

圖4　各檢測點高程較差范圍圖

圖5　高程較差分布圖

5結(jié)語

(1) 本文主要嘗試了利用點云數(shù)據(jù)手動采點，由ArcGIS轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入CASS系統(tǒng)制作地形圖的方法，其優(yōu)點是，內(nèi)業(yè)人員不必接受手輪腳盤采集的專業(yè)訓(xùn)練，只要有外業(yè)測圖經(jīng)驗，即可快速上手，尤其在地形起伏大、等高線較密集的地區(qū)，此方法比傳統(tǒng)手動繪線方法便捷高效。

(2) 在無明顯地物點進(jìn)行平面精度檢核條件的情況下，嘗試了人工制作標(biāo)志為平面精度的檢核提供了檢核手段。此方法具有一定的可行性，但操作難度大，成本高，難以達(dá)到應(yīng)有的量級，因此不具備大規(guī)模開展的條件，只能對平面精度的評定起到一定的參考作用。

(3) 由高程較差的統(tǒng)計分布圖可以看出，高程較差的算術(shù)平均值在+0.1 m附近，即內(nèi)插高程平均值要大于實測高程平均值。這是由于測區(qū)植被覆蓋度較高，內(nèi)業(yè)采點時部分地形點沒有采到地面造成的。這是航測中提高高程精度的一個技術(shù)難點，也是制約無人機(jī)航測技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。

(4) 無人機(jī)航測快速高效的特點雖然已經(jīng)成為共識，但由于其程序相對繁瑣，在小面積地形測量中，這一優(yōu)勢并未體現(xiàn)出來，但從其所需較低的外業(yè)勞動強(qiáng)度和經(jīng)費等情況來看仍不失為一種不錯的解決方案，具有實際的應(yīng)用價值。

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Application of Aerial Survey by Drone in Surveying of 1∶500 Topographic Map of Tingkou Reservoir

JIAO Wang1, LIU Kai2

(1.Survey and Mapping Branch, Shangxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi'an710002,China； 2.Xi'an Municipal Survey and Mapping Institute, Xi'an710048,China)

Abstract:In accordance with features of the aerial survey by drone, landmark point and check point in field are arranged. Through the outdoor aerial photo by drone and the joint application of software such as Pix4DMapper, CASS and ArcGIS, etc, precision of plane and elevation of the final topographic map satisfies requirements of 1∶500 topographic map. This provides application of drone in the survey of complicated topography of reservoir with the complete solution.

Key words:drone; Pix4DMapper; CASS; point cloud data; topographic map

中圖分類號：P231

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.006

作者簡介：焦旺(1989- )，男，陜西省藍(lán)田縣人，助理工程師，主要從事工程測量和無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測量工作.

收稿日期：2015-08-24

文章編號：1006—2610(2016)01—0023—04