小型旋翼無人機(jī)在大比例尺地形測(cè)圖中的應(yīng)用

武書利 張朋

摘 要 利用小型旋翼無人機(jī)進(jìn)行航空攝影，并布設(shè)像控點(diǎn)，利用Pix4D進(jìn)行空三加密后生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM，采用內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的方法制作DLG，與傳統(tǒng)方式相比，提高了工作效率。

【關(guān)鍵詞】小型旋翼無人機(jī) 點(diǎn)云數(shù)據(jù) DOM DLG Pix4D

1 引言

近幾年，我國以大疆精靈系列為代表的旋翼無人機(jī)發(fā)展迅速，以其體積小、價(jià)格低、飛行穩(wěn)定、配備有相機(jī)云臺(tái)、配套軟件資源豐富被廣大測(cè)繪行業(yè)人員所接受。大疆Phantom 4 Pro是基于普通版的升級(jí)，功能更強(qiáng)。下面以大疆Phantom 4 Pro為例，詳細(xì)敘述具體的操作流程。

2 航飛前準(zhǔn)備工作

2.1 測(cè)區(qū)踏勘

大疆Phantom 4 Pro做為小型旋翼無人機(jī)，雖然具有起降靈活、飛行姿態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在飛行高度低、續(xù)航時(shí)間短的缺點(diǎn)。因此在航飛前必須勘察測(cè)區(qū)的地形地貌特點(diǎn)、平均海拔，建筑物及構(gòu)筑物高度、高壓電力線穿越測(cè)區(qū)情況，為航線規(guī)劃及航高制定奠定基礎(chǔ)。避免出現(xiàn)各飛行架次之間的接邊問題，以及航高設(shè)定不當(dāng)造成的飛行事故。

2.2 航線規(guī)劃

Pix4Dcapture是瑞士Pix4D公司基于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)研發(fā)的一款移動(dòng)終端航測(cè)數(shù)據(jù)智能采集軟件，支持安卓系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)。我們將使用Pix4Dcapture操作無人機(jī)完成自主航攝。

將KML（KMZ）格式的測(cè)區(qū)范圍線導(dǎo)入到Pix4dcapture的PROJECT LIST工程管理模塊中，添加每個(gè)架次的航飛任務(wù)并該架次無人機(jī)的飛行高度、速度、相機(jī)垂直角度，航向及旁向重疊度，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)以上參數(shù)自動(dòng)生成航線，應(yīng)保證航線覆蓋整個(gè)航攝范圍。

3 航空攝影

3.1 像控測(cè)量

為了能夠獲得相應(yīng)坐標(biāo)系的成果，需要在航攝前布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的密度按照每100張照片布設(shè)6個(gè)左右，一個(gè)航攝測(cè)區(qū)最低不少于3個(gè)，如測(cè)區(qū)高差較大，可在高程變化地區(qū)增加像控點(diǎn)，以保證高程精度。像控點(diǎn)的樣式以白色“十”字為宜，以方便內(nèi)業(yè)準(zhǔn)確選刺。

3.2 航拍前準(zhǔn)備

起飛前，應(yīng)通過DJI GO 4對(duì)無人機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢查、參數(shù)設(shè)置等工作。如測(cè)區(qū)范圍較大，需要多架次航攝時(shí)，盡量在同一地點(diǎn)起飛。當(dāng)無法保證在同一地點(diǎn)起飛時(shí)，應(yīng)依據(jù)各起飛點(diǎn)的大地高新設(shè)定航高，以保證不同架次的航高在同一拍攝平面，確保不同架次的影像正確接邊。

3.3 執(zhí)行航拍任務(wù)

在航攝過程中，應(yīng)保持遙控器與無人機(jī)之間的連線無遮擋，并密切關(guān)注無人機(jī)的飛行高度、遙控器信號(hào)的狀態(tài)、GPS信號(hào)的質(zhì)量、圖傳信號(hào)強(qiáng)度等，如發(fā)現(xiàn)無人機(jī)狀態(tài)異常，應(yīng)果斷發(fā)出強(qiáng)制自動(dòng)返航命令，避免出現(xiàn)“炸機(jī)”。

3.4 航攝照片下載及整理

當(dāng)所有航攝工作結(jié)束后，將無人機(jī)存儲(chǔ)卡內(nèi)的照片下載。按照時(shí)間序列區(qū)分不同架次的照片，按架次創(chuàng)建存儲(chǔ)目錄，認(rèn)真檢視照片質(zhì)量，刪除廢片。

4 航攝數(shù)據(jù)處理

Pix4Dmapper是一體化的PC端無人機(jī)影像處理軟件。數(shù)據(jù)處理人員無需專業(yè)知識(shí)，極少人工干預(yù)下可將數(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。

（1）啟動(dòng)Pix4Dmapper程序，利用新建項(xiàng)目向?qū)?，添?.JPG格式的航片。軟件可自動(dòng)識(shí)別航片的EXIF及GEO數(shù)據(jù)信息，也可讀取與航片文件名相對(duì)應(yīng)POS數(shù)據(jù)的文本文件，并可自定義相機(jī)參數(shù)。軟件根據(jù)航片的EXIF數(shù)據(jù)及拍攝時(shí)間序列，自動(dòng)生成航線及像主點(diǎn)略圖，并可自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)電子地圖，更加直觀的看到航片所覆蓋的區(qū)域范圍。

（2）選擇正確的照片后處理參數(shù)設(shè)置模板，設(shè)置成果坐標(biāo)系、設(shè)置本地區(qū)的大地水準(zhǔn)面高于參考橢球的高度（即高程異常值）。如像控點(diǎn)的高程已經(jīng)進(jìn)行了大地水準(zhǔn)面改正，可設(shè)置默認(rèn)值為零。

（3）將像控點(diǎn)坐標(biāo)整理成“點(diǎn)號(hào)，東坐標(biāo)（y），北坐標(biāo)（Y），高程”格式的文本并導(dǎo)入。通過平面編輯器手動(dòng)選刺相控點(diǎn)在每張像片上的點(diǎn)位，但建議使用進(jìn)行快速初始化處理后采用空三射線編輯器進(jìn)行像控點(diǎn)的選刺，這樣能夠根據(jù)自動(dòng)預(yù)測(cè)像控點(diǎn)在每張像片上的像點(diǎn)位置，自動(dòng)化程度更高。

（4）當(dāng)所有像控點(diǎn)都選刺完成后，可設(shè)置好參數(shù)進(jìn)行后續(xù)的點(diǎn)云分類、紋理處理、正射影像生成、等高線生成等步驟?？稍O(shè)置像片的匹配方式、特征點(diǎn)的提取參數(shù)、生成產(chǎn)品的規(guī)格、等高線的參數(shù)等。

（5）經(jīng)處理后，系統(tǒng)會(huì)在項(xiàng)目目錄下自動(dòng)生成成果數(shù)據(jù)。產(chǎn)品包括：兼容主流空三加密軟件格式的加密成果，如orima、bingo、matrix格式；實(shí)景三維數(shù)據(jù)及紋理數(shù)據(jù)，加密點(diǎn)云數(shù)據(jù)；數(shù)字地面模型DTM數(shù)據(jù)，數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)DOM，等高線數(shù)據(jù)等。

5 內(nèi)外業(yè)結(jié)合制作DLG

將Pix4Dmapper處理生成的DOM正射影像加載到南方CASS9.1中，利用軟件的各種做圖工具采集測(cè)區(qū)的水系、居民地、管線、地貌土質(zhì)、植被等?？山柚鶳ix4Dmapper實(shí)景三維模型，全方位多角度、多視圖的觀察需要提取地形特征點(diǎn)線的地物，增加作業(yè)員的判讀地形圖要素的能力，提高工作效率。

由于無人機(jī)的高度相對(duì)較低、照片分辨率高，所生成的DOM、DTM精度在航高為230米時(shí)的地面分辨率可達(dá)到5cm，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度一般在15cm左右，完全可以滿足地形圖測(cè)量的精度要求。Pix4Dmapper生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和等高線數(shù)據(jù)是基于測(cè)區(qū)地形表面，比如建筑物頂部、植被表面等，只有裸露地面上的數(shù)據(jù)才可靠，后期利用時(shí)應(yīng)該考慮這方面的因素有選擇地利用。測(cè)區(qū)內(nèi)的一般高程點(diǎn)可在點(diǎn)云數(shù)據(jù)上采樣獲得高程值，測(cè)區(qū)內(nèi)的重要地物和硬化路面高程點(diǎn)精度要求高，可采用全野外測(cè)量的方法利用GPS、全站儀采集。

6 結(jié)束語

采用小型旋翼無人機(jī)內(nèi)外業(yè)結(jié)合方法測(cè)繪地形圖，平面和高程精度中誤差可達(dá)15厘米左右，可滿足規(guī)劃用途的1：1000、1：2000比例尺航測(cè)法地形圖要求。且該方法具有操作簡單、快速成圖、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于測(cè)繪應(yīng)急保障、城鄉(xiāng)規(guī)劃、工程勘察、道路設(shè)計(jì)等方面。

參考文獻(xiàn)

[1]Phantom_4_User_Manual_cn_v1.2.

[2]Pix4Dmapper-Chinese-Manual-Simplified-2.0.

作者簡介

武書利（1971-），男。大學(xué)本科學(xué)歷。河北省第一測(cè)繪院，測(cè)繪高級(jí)工程師，主要從事地籍測(cè)量、地形測(cè)量、航空攝影測(cè)量、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、軟件開發(fā)。

作者單位

河北省第一測(cè)繪院 河北省石家莊市 050031