天狼星無人機免像控技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用

劉建良，楊 琦，楊 軍

(1. 北京優(yōu)飛全景科技有限公司，北京 101102； 2. 金昌市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究院，甘肅 金昌 737100)

天狼星無人機免像控技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用

劉建良1，楊 琦1，楊 軍2

(1. 北京優(yōu)飛全景科技有限公司，北京 101102； 2. 金昌市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究院，甘肅 金昌 737100)

針對河道帶狀復(fù)雜的地形條件及高精準的測量要求，提出了采用天狼星無人機航空測圖系統(tǒng)進行地形圖測繪的方法，并用實例進行了驗證。驗證結(jié)果表明，天狼星無人機航測系統(tǒng)通過其內(nèi)置100 Hz實時動態(tài)差分RTK技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航IMU系統(tǒng)，很好地解決了照片匹配等問題，在不需要布設(shè)像控點的情況下獲取高精度的影像數(shù)據(jù)，大大提高了航測效率；同時河道整治過程中所遇到的土方量計算、洪水分析等問題將得到更加精確直觀的呈現(xiàn)，為后續(xù)河道綜合整治工作提供了精準的數(shù)據(jù)支持。

無人機；免像控；河道；數(shù)據(jù)處理

“綠水青山”是我國長期以來一貫堅持的環(huán)境保護政策，河流不僅改善著環(huán)境，也為人類的生產(chǎn)生活提供著重要的物質(zhì)資源。隨著人們環(huán)境意識的提高，河道綜合治理工程也越來越被人們所重視。目前常規(guī)的測量技術(shù)難以高效全面地獲取河道及周邊流域的地形情況，給河道整治工作的后續(xù)開展帶來困難。拓普康天狼星(Sirius Pro)無人機測圖系統(tǒng)，以其機動靈活、低成本的特點，可以快速、高效、準確地獲取高精度、高分辨率的多元數(shù)據(jù)，并通過后處理軟件快速完成大比例尺地形圖的制作。高精度數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)數(shù)據(jù)的疊加可在河道整治項目中更加方便、快捷、直觀地判別河道地形地貌情況，同時天狼星測圖系統(tǒng)的免像控技術(shù)，大大減少了外業(yè)作業(yè)時間，更加快速地保障了河道整治前期工作的開展。本文以甘肅省定西市河道整治項目為例，對天狼星免像控技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用進行探討。

1 拓普康天狼星無人機測圖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

拓普康天狼星無人機測圖系統(tǒng)主要包含無人機飛行平臺、數(shù)據(jù)通信平臺和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。Sirius Pro無人機測圖系統(tǒng)機身采用超輕泡沫材料，平臺主要性能參數(shù)見表1。

1.2 航測作業(yè)流程

在下達任務(wù)后，首先進行項目技術(shù)設(shè)計，對整個項目流程方案進行規(guī)劃設(shè)計，確保任務(wù)順利實施。為保障天狼星無人機外業(yè)航飛的順利進行，需要對項目規(guī)劃區(qū)域進行實地踏勘，起降場地的適合選擇也是確保飛行安全的重要因素；同時在測區(qū)內(nèi)進行基準站點和檢核點的布設(shè)及采集，基準站點是為無人機飛行平臺GPS RTK基準站而進行的布設(shè)，檢核點是為影像數(shù)據(jù)成果檢核時提供對比。

在完成上述準備工作后，開始進行航線規(guī)劃設(shè)計，天狼星無人機采用自主研發(fā)的Mavinci Desktop飛行計劃軟件對測量區(qū)域進行航線設(shè)計。將規(guī)劃好的航線發(fā)送到無人機，無人機將按照規(guī)劃航線進行作業(yè)飛行，航飛任務(wù)結(jié)束后無人機自動將航拍POS數(shù)據(jù)傳回計算機，并與影像照片進行匹配，導(dǎo)入PhotoScan Pro軟件處理生成DOM、DSM和點云數(shù)據(jù)。為確保成果影像的精度，通過采集影像數(shù)據(jù)檢核點位置坐標與檢核點實測坐標進行比較，以來進行產(chǎn)品質(zhì)量控制，確保上交的影像數(shù)據(jù)符合設(shè)計精度。無人機測圖系統(tǒng)測量工作流程如圖1所示。

表1 Sirius PRO無人機測圖平臺主要性能參數(shù)

圖1 無人機測圖工作流程

2 項目應(yīng)用

2.1 測區(qū)概況

本次河道整治項目位于甘肅省定西市，通渭縣屬隴中黃土高原丘陵壑區(qū)，多黃土梁、峁和河谷階地，地勢西北高，東南低，海拔1600～2200 m。本次項目河道由牛骨河、西河和黃龍河3條河道構(gòu)成，其中牛骨河河道為自西向東穿過通渭縣城區(qū)，西河和黃龍河都匯入牛骨河，位于105°06′12″E—105°23′09″E，30°08′19″N—30°15′38″N范圍內(nèi)。整個河道項目全長約52 km，河道兩側(cè)多為溝壑地帶，河堤處有耕地。

2.2 航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)定

根據(jù)河道走向及周邊地形的起伏變化，為保障獲取高精度的影像數(shù)據(jù)，確保無人機作業(yè)安全，本次無人機航線設(shè)計中，采用自適應(yīng)地形變化模塊。自適應(yīng)地形飛行是在Mavinci Desktop飛行控制軟件中設(shè)置固定飛行高度后，飛機隨著地形起伏變化而自動改變飛行高度。固定航高飛行保證了飛機拍攝影像過程中像片重疊度，既避免遇到地形凸起時像片重疊度過小，無法滿足影像重疊規(guī)范要求，又避免在地形低洼處像片重疊度過大，造成飛行浪費。自適應(yīng)地形飛行可以很好地避免在地形起伏較大的區(qū)域撞擊到山體等障礙物。本次項目飛行航線如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)地形航線飛行模式

根據(jù)河道長度及走勢情況，本次項目共設(shè)計12條帶狀航線(如圖3所示)，帶寬為200 m，地面采樣距離(GSD)為7 cm，飛行高度為272 m，航向重疊為75%～85%，旁向重疊為65%。

2.3 數(shù)據(jù)處理

基于天狼星無人機航測系統(tǒng)獲取影像的特點，利用Agisoft Photoscan Professional后處理軟件，首先將影像和高精度POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入，基于SIFT算法對照片特征點進行匹配，再根據(jù)高精度POS數(shù)據(jù)將像片對齊，全自動生成密集點云、網(wǎng)格、紋理等，最終得到點云數(shù)據(jù)(如圖4所示)、DEM(如圖5所示)和DOM(如圖6所示)等數(shù)字化產(chǎn)品。

圖3 航帶規(guī)劃

圖4 點云數(shù)據(jù)

圖5 DEM

圖6 DOM

利用PhotoScan處理的數(shù)字化成果進行數(shù)字線劃地圖(DLG)的繪制。本項目采用清華山維EPS軟件和Virtual Surveyor虛擬測圖軟件，可以根據(jù)DEM和DOM影像數(shù)據(jù)生成三維實景模型。截取部分DLG成果，如圖7所示。

3 精度檢核

為保證數(shù)據(jù)的精度要求，采集測區(qū)內(nèi)28個檢核點坐標，檢核點布設(shè)如圖8所示，依次編號為m1—m28,這些點主要位于道路等空曠平坦的地表。測區(qū)所設(shè)置檢核點的實測坐標和圖上坐標的平面差值即平面差值。再根據(jù)點位中誤差公式計算出每個點的平面中誤差。高程精度即通過外業(yè)實測獲得的高程檢核點坐標值和DEM上相對應(yīng)的檢查點上量測的高程值之差。且誤差進行分析，看能否滿足1∶2000大比例尺DOM和DEM精度規(guī)范要求。根據(jù)要求當檢核點數(shù)量少于20個時，誤差的算術(shù)平均值代替中誤差，當數(shù)量大于或等于20個時，按中誤差進行統(tǒng)計。本項目檢核點精度見表2，分別統(tǒng)計X、Y和H方向的中誤差。

圖7 1∶2000 DLG成果

圖8 影像檢核點

根據(jù)表2各點坐標較差,計算出各點X、Y和H的中誤差分別為0.070、0.067和0.136 m。可以得出本次項目檢核點平面位置中誤差為0.097 m，高程中誤差為0.136 m，符合1∶2000的成圖要求。

4 結(jié) 語

本文通過對天狼星無人機測圖系統(tǒng)在河道整治項目的應(yīng)用分析，充分證明無人機航測系統(tǒng)正逐步發(fā)生著變革，傳統(tǒng)航測技術(shù)對像控點布設(shè)、繪圖人員的技術(shù)水平都有較高的要求，在一定程度上大大降低了航測效率，增加了額外成本。而天狼星無人機航測系統(tǒng)通過其內(nèi)置100 Hz實時動態(tài)差分RTK技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航IMU系統(tǒng)， 很好地解決了像片匹配等問題，在不需要布設(shè)像控點情況下獲取高精度的影像數(shù)據(jù)。同時河道整治過程中所遇到土方量計算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀地呈現(xiàn)。

表2 檢核點實測坐標與圖上坐標差 m

[1] 狄桂栓，沈彪群，高波，等. 免像控無人機航攝系統(tǒng)在公路帶狀地形測量中的應(yīng)用與精度分析[J].測繪通報，2017(2)：159-160.

[2] 楊堯蘭. 天狼星無人機攝影測量系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應(yīng)用研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

[3] 曹明蘭，薄志毅，李亞東. 無控制點數(shù)據(jù)的無人機影像DOM快速制作[J].測繪通報，2016(8)：35-38.

[4] 張先起，李亞敏.基于生態(tài)的城鎮(zhèn)河道整治與環(huán)境修復(fù)方案研究[J].人民黃河，2013,35(2)：36-38.

[5] 張立先，河道整治存在問題與解決方法[J].黑龍江水利科技，2014(11)：169-170.

ApplicationoftheSiriusNon-GCPsUAVinRiverRegulation

LIU Jianliang1,YANG Qi1，YANG Jun2

(1. Beijing U-View Technology Co. Ltd,Beijing 101102,China； 2. Jinchang City of Urban and Rural planning Institute,Jinchang 737100，China)

As to the problem that the river band complex terrain conditions and measurement of high precision requirement, the paper puts forward the method of Sirius UAV aerial mapping system for topographic mapping. According to this method, Sirius unmanned aerial system using its built-in 100 Hz real-time dynamic RTK technology and high precision of inertial navigation system IMU, can solve the problem of photo matching in the image data, without layout control points as the case to obtain high precision, greatly improving the efficiency of aerial survey. At the same time, the earthwork calculation and flood analysis in the process of river regulation will become more accurate and intuitive, which provides accurate data support for the subsequent comprehensive river regulation work.

UAV; non-GCPs; river; data process

劉建良(1992—)，男，助理工程師，主要從事無人機航測數(shù)據(jù)采集與處理分析。E-mail：cl_ljl0312@163.com