四旋翼微型無(wú)人機(jī)在大比例地形圖中的應(yīng)用

孫治華

(吉林省攝維測(cè)繪有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012)

近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的無(wú)人機(jī)測(cè)繪是將無(wú)人機(jī)技術(shù)運(yùn)用于測(cè)繪領(lǐng)域而產(chǎn)生的新方向，是新型測(cè)繪技術(shù)與航空平臺(tái)技術(shù)、信息技術(shù)的高度集成，是對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感測(cè)繪和有人機(jī)航空測(cè)繪的有效補(bǔ)充。無(wú)人機(jī)測(cè)繪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱靈活、使用成本低、反應(yīng)快速的特點(diǎn)，可以靈活、快速地獲取到高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢(shì)性的影像[1]。目前，測(cè)繪行業(yè)使用的無(wú)人機(jī)主要分為固定翼和多旋翼兩種，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。固定翼無(wú)人機(jī)有飛行速度快、單架次飛行作業(yè)面積大等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)飛機(jī)起降場(chǎng)地有一定要求，并且不能在空中旋停，轉(zhuǎn)彎面積大，不利于小面積作業(yè)[2]。多旋翼無(wú)人機(jī)起降則比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有特殊的場(chǎng)地要求，可以在空中旋停，作業(yè)靈活，但它的作業(yè)時(shí)間短，抗風(fēng)能力差，作業(yè)效率相對(duì)要低?？偟膩?lái)說(shuō)，多旋翼無(wú)人機(jī)是對(duì)傳統(tǒng)的有人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的一種補(bǔ)充[3]。本文以測(cè)量吉林省松原灌區(qū)大安片的一處帶狀形渣土場(chǎng)為例，闡述多旋翼無(wú)人機(jī)在本項(xiàng)目中從獲取影像到內(nèi)業(yè)解算、輸出1∶1000地形圖、精度分析等過(guò)程的實(shí)施過(guò)程。

1 項(xiàng)目概況與無(wú)人機(jī)平臺(tái)

1.1 項(xiàng)目概況

松原灌區(qū)涉及松原、白城、前郭、乾安、大安等，根據(jù)各片區(qū)所處的地理位置，將灌區(qū)分為前郭片、乾安片，大安片三部分。本項(xiàng)目所處在大安片區(qū)，本片區(qū)內(nèi)多為平原地區(qū)，地勢(shì)平坦、通信暢通；植被多為草地，有極少部分的旱地和水田。由于施工圖階段土料場(chǎng)和棄土場(chǎng)發(fā)生變化，需要對(duì)已實(shí)施的土料場(chǎng)和棄土場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪。本文以一處帶狀渣土場(chǎng)測(cè)區(qū)進(jìn)行內(nèi)容闡述，此測(cè)區(qū)全長(zhǎng)約18km，寬約200m，中間是一條人工渠，兩邊堆有從渠中挖出的渣土，植被主要是草地。

1.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

本次作業(yè)采用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)為大疆精靈4Pro四旋翼無(wú)人機(jī)。起飛重量：1388g，飛行速度：小于10m/s，相機(jī)等效焦距：24mm，照片分辨率：5472×3648像素，重疊度：大于80%，相對(duì)航高：200m，地面分辨率：5cm，顯示設(shè)備：平板電腦，飛行控制APP∶DJI GO 4和Pix4Dcapture[4]。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程

2.1 實(shí)地勘察和布設(shè)像控點(diǎn)

作業(yè)人員對(duì)作業(yè)區(qū)域和周圍進(jìn)行實(shí)地勘察，采集地形地貌、植被等信息，查看飛行區(qū)域內(nèi)有無(wú)對(duì)飛行產(chǎn)生影響的高大建筑物或地貌等，為場(chǎng)地的選取、航線規(guī)劃等提供資料。

由于所采用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)沒(méi)有準(zhǔn)確的RTK差分POS數(shù)據(jù)且測(cè)區(qū)呈帶狀分布，所以為提高成圖精度，需要在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)地面控制點(diǎn)[5]。本次作業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)在測(cè)區(qū)兩側(cè)，約每500m一對(duì)，平面采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，中央經(jīng)線123°，高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，平面及高程精度為2cm。

2.2 航線規(guī)劃

在現(xiàn)場(chǎng)組裝好無(wú)人機(jī)后，打開(kāi)航線規(guī)劃APP∶Pix4Dcapture，如圖1所示。航線規(guī)劃要針對(duì)任務(wù)性質(zhì)和任務(wù)面積，綜合考慮天氣和地形等因素，規(guī)劃如何實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)基于安全飛行條件下的任務(wù)范圍最大覆蓋。由于本次作業(yè)測(cè)區(qū)較大，無(wú)人機(jī)單次作業(yè)面積有限，所以采用分段航線規(guī)劃，分段航攝作業(yè)，單架次飛行大約為200m寬、1.5km長(zhǎng)。為延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)有效作業(yè)時(shí)間，返航點(diǎn)要與航攝作業(yè)的起終點(diǎn)在同一側(cè)，航線數(shù)規(guī)劃為雙數(shù)，圖1中的點(diǎn)為像控點(diǎn)，要保證像控點(diǎn)在航攝區(qū)域內(nèi)[6]。

圖1 航線規(guī)劃圖

2.3 航攝作業(yè)

當(dāng)航線規(guī)劃完成后，設(shè)置其它作業(yè)參數(shù)，作業(yè)返航高度為300m，作業(yè)高度為200m，重疊度為80%，然后將飛行計(jì)劃上傳至無(wú)人機(jī)，就可以開(kāi)始進(jìn)行飛行拍攝了。飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器的高度、速度、電量、飛行拍攝軌跡、溫度、風(fēng)速等。

當(dāng)遇到不正常情況時(shí)，地面人員要做出相應(yīng)的操控，使得飛行器正常工作。如有不可操控的緊急情況時(shí)進(jìn)行一鍵返航操作。具體飛行過(guò)程如下：

(1)起飛：在飛行計(jì)劃上傳完成時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)從反航點(diǎn)自動(dòng)垂直上升至返航高度，然后平移至起點(diǎn)位置，再下降至作業(yè)高度。

(2)航線飛行：無(wú)人機(jī)到達(dá)作業(yè)起點(diǎn)位置和高度后，會(huì)按規(guī)劃的航線進(jìn)行飛行定時(shí)拍攝。在一條航線的末端，無(wú)人機(jī)會(huì)90°轉(zhuǎn)向移至下一條航線，再90°轉(zhuǎn)向進(jìn)行飛行拍攝。

(3)回收：無(wú)人機(jī)到達(dá)作業(yè)終點(diǎn)后，會(huì)從作業(yè)終點(diǎn)垂直上升至返航高度，然后平移至返航點(diǎn)，再垂直下降至地面。

(4)航攝質(zhì)量檢查：在完成航攝作業(yè)后，要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。檢查所拍照片數(shù)量與飛行軌跡是否與規(guī)劃航線一至；檢查有無(wú)拍攝效果不好的照片，有無(wú)遮擋像控點(diǎn)的照片。如果存在質(zhì)量問(wèn)題，要進(jìn)行重飛或補(bǔ)飛，如果質(zhì)量合格則外業(yè)航攝結(jié)束。

2.4 數(shù)據(jù)解算

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算使用Pix4Dmaper軟件，分為新建作業(yè)、概略刺點(diǎn)、全面刺點(diǎn)、初始化處理、輸出成果5步。

(1)新建作業(yè)：將外業(yè)質(zhì)量檢查后的照片導(dǎo)入到軟件，設(shè)置圖像的輸入地理位置坐標(biāo)系為WGS84，相機(jī)參數(shù)按圖2設(shè)置，選擇輸出坐標(biāo)系為：西安1980坐標(biāo)系3度分帶的41號(hào)帶，處理模板選擇3D地圖。

(2)概略刺點(diǎn)：由于本次作業(yè)中的像控點(diǎn)多達(dá)64個(gè)，如果直接全面刺點(diǎn)的話，工作量會(huì)很大，所以先進(jìn)行概略刺點(diǎn)，軟件會(huì)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算匹配，再進(jìn)行全面刺點(diǎn)的，工作量就會(huì)大大減少。在GCP/MTP管理器中導(dǎo)入控制點(diǎn)，分別在測(cè)區(qū)的首尾和中間地段各選擇一個(gè)像控點(diǎn)，每個(gè)像控點(diǎn)選刺3張照片，再進(jìn)行初始化處理的快速檢測(cè)[7]。

圖2 相機(jī)參數(shù)設(shè)置圖

表2 相機(jī)自檢校誤差表

Facal LengithPrincipal Point xPrincipal Point yR1R2R3T1T2Initial Values3951.450[piexl]8.800[mm]2712.860[piexl]6.538[mm]1829.880[piexl]4.410[mm]0.004-0.0120.0110.0000.000Oplimized Values3654.396[piexl]8.807[mm]2713.988[piexl]6.541[mm]1829.745[piexl]4.410[mm]0.004-0.0100.010-0.0000.000Uncertainties(Sig-ma)0.142[piexl]0.000[mm]0.245[piexl]0.001[mm]0.207[piexl]0.000[mm]0.0000.0010.0010.0000.000

(3)全面刺點(diǎn)：概略刺點(diǎn)完成后，打開(kāi)手動(dòng)連接點(diǎn)編輯器，對(duì)包含像控點(diǎn)的照片依次刺刺點(diǎn)，因?yàn)橐呀?jīng)過(guò)概略刺點(diǎn)的匹配，所以每張照片的刺點(diǎn)位置只要微調(diào)就可以了，全面刺點(diǎn)完成后，保存即可。

(4)初始化處理：采用全面高精度處理，完成后會(huì)自動(dòng)輸出質(zhì)量報(bào)告，在質(zhì)量報(bào)告中重點(diǎn)查看區(qū)域網(wǎng)空三誤差與相機(jī)自檢誤差[8]。

區(qū)域網(wǎng)空三誤差見(jiàn)表1，Mean Reprojection Error就是空三中誤差，以像素為單位。

相機(jī)自檢校誤差的上下兩個(gè)參數(shù)一般不能超過(guò)5%，R1，R2，R3，三個(gè)參數(shù)不能大于1，否則可能出現(xiàn)嚴(yán)重的扭曲，見(jiàn)表2。

(5)輸出成果：輸出的成果包含了DOM和DEM，在輸出成果前要設(shè)置分辨率參數(shù)為10cm/像素。

2.5 制作地形圖

制作地形圖使用清華山維的EPS軟件，主要分為DSM生成、立體采集、成果輸出。

(1)DSM生成：清華山維的三維采集模塊需要DOM與DSM一起使用，所以要先使用EPS將DOM和DEM合成一套ESM，為立體采集時(shí)所用[9]。

(2)立體采集：打開(kāi)EPS的三維模塊，加載對(duì)應(yīng)的EOM和DSM，就可以進(jìn)行地形圖的立體采集了。

(3)成果輸出：將DLG打印為紙圖，準(zhǔn)備外業(yè)調(diào)繪和檢查。

2.6 外業(yè)調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)與檢查

(1)以編繪的底圖為外業(yè)工作圖，利用RTK，在實(shí)地與工作圖進(jìn)行對(duì)比調(diào)繪，調(diào)繪的一般要求有：判讀準(zhǔn)確、描繪清楚、符號(hào)使用恰當(dāng)、位置準(zhǔn)確無(wú)誤等。

(2)補(bǔ)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容有：內(nèi)業(yè)確定的疑問(wèn)區(qū)、高植被區(qū)、水域、影像模糊區(qū)、新增地物等，這些區(qū)域要重新實(shí)測(cè)[10]。

(3)檢查以測(cè)斷面和地物的方式進(jìn)行，每間隔100m測(cè)量一條斷面，以驗(yàn)證高程精度；測(cè)量地物，以驗(yàn)證平面精度。

3 精度分析

本項(xiàng)目全測(cè)區(qū)共2.97km2，實(shí)測(cè)斷面點(diǎn)和地物點(diǎn)共3714個(gè)，將其與所采集的DLG線劃圖對(duì)比，得出平面中誤差為0.32m，高程中誤差為0.18m。參考GBT 17278- 2009《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》中的1∶500～1∶2000地形圖平面精度中誤差在平地、丘陵地不大于圖上0.6mm，高程注記點(diǎn)中誤差在平地不大于0.2m的要求，所以本次使用大疆精靈4Pro四旋翼微型無(wú)人機(jī)航測(cè)成圖項(xiàng)目完全符合1∶1000地形圖精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)測(cè)量平臺(tái)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱靈活、低成本、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在專業(yè)測(cè)繪領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展，而多旋翼無(wú)人機(jī)在小面積測(cè)圖和特殊飛行環(huán)境下，有其自身的優(yōu)點(diǎn)。隨著旋翼無(wú)人機(jī)的載重量和相機(jī)等硬件發(fā)展以及低空雷達(dá)在測(cè)繪方面的應(yīng)用，相信今后，無(wú)人機(jī)測(cè)繪的平面和高程精度會(huì)有很大的提高，從而也會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。