天狼星無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖與三維建模中的應(yīng)用

李鑫龍，李偉明，張清民

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

無人機(jī)(UAV)航測(cè)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的快速獲取高分辨率影像的測(cè)繪新技術(shù)[1]，其具有低成本、高效率和高分辨率等特點(diǎn)，在農(nóng)林作業(yè)、工業(yè)測(cè)量、土地資源調(diào)查、智慧城市、三維實(shí)景、城市規(guī)劃與農(nóng)村土地確權(quán)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]，特別是在地形復(fù)雜、人員難以進(jìn)駐地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)獲取方面擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在無人機(jī)航測(cè)領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。薛永安等利用無人機(jī)系統(tǒng)快速測(cè)繪了礦區(qū)內(nèi)的大比例尺地形圖[3]；嚴(yán)慧敏等描述了無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用[4];王湘文等應(yīng)用低空無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)，制作了1∶2000地形圖并進(jìn)行了精度驗(yàn)證，取得了一定進(jìn)展[5]；Watts等將低空無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)檢測(cè)中[6]；Lewycky等應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行自然災(zāi)害調(diào)查，成功估算出洪水淹沒范圍[7]；Merino等將多種傳感器搭載在無人機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)區(qū)域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[8]。

目前傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)存在很多不完善之處，如相機(jī)相幅較小、影像畸變差較大，需要大量的相控點(diǎn)來約束生成數(shù)據(jù)的精度[9]。生成的數(shù)據(jù)大多是傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，耗費(fèi)人力物力的同時(shí)也將成果應(yīng)用局限在測(cè)繪專業(yè)人員范圍內(nèi)。本研究采用天狼星無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用免相控航測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)，不僅完成了測(cè)區(qū)內(nèi)1∶2000比例尺DOM、DEM、DLG數(shù)據(jù)的制作，而且實(shí)現(xiàn)了測(cè)區(qū)內(nèi)三維建模的生成。經(jīng)過精度驗(yàn)證，數(shù)據(jù)符合測(cè)繪成圖規(guī)范要求。此次研究方法在今后不僅可以為設(shè)計(jì)施工單位提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且在項(xiàng)目前期可研階段提供幫助。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省西北部，區(qū)域面積約6 km2，山地丘陵地形，植被茂盛，多為闊葉林。氣候?yàn)楸睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，溫差較大，四季分明。項(xiàng)目要求繪制測(cè)區(qū)內(nèi)1∶2000地形圖，同時(shí)生產(chǎn)DOM與DEM數(shù)據(jù)。為配合設(shè)計(jì)施工部門工作，制作測(cè)區(qū)三維數(shù)據(jù)模型。

2 航測(cè)技術(shù)流程

項(xiàng)目選用天狼星Sirius Pro無人機(jī)作為航測(cè)平臺(tái)，主要由硬件設(shè)備、影像處理系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成[10]，搭載Sony RX1R2型號(hào)數(shù)碼相機(jī)，具有良好穩(wěn)定的氣動(dòng)性能與操作性能。地面站系統(tǒng)采用MAVinci Desktop軟件系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)航路規(guī)劃等地面工作。飛行計(jì)劃主要參數(shù)見表1。

表1 飛行計(jì)劃參數(shù)

2.1 航線設(shè)計(jì)

航向覆蓋超出邊界線不少于一條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于掃描寬度的30%。為保證高程精度，航片的航向重疊度設(shè)計(jì)為80%，旁向重疊度設(shè)計(jì)為55%，在保證航線覆蓋、重疊與地面分辨率的情況下，航線間隔根據(jù)測(cè)區(qū)地形進(jìn)行確定。

2.2 航攝數(shù)據(jù)采集

飛行前，組織飛控員進(jìn)行航線設(shè)計(jì)與安全管理培訓(xùn)。起飛前嚴(yán)格按照飛行檢查單的要求進(jìn)行飛前檢查，確保安裝和各項(xiàng)設(shè)置正確無誤。規(guī)定航攝期內(nèi)選擇天氣晴朗、大氣透明度好、光照充足的時(shí)間進(jìn)行航攝工作。

采集后的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行質(zhì)量檢查與攝影質(zhì)量檢查，檢查結(jié)果確定符合航空攝影測(cè)量規(guī)范要求后進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作。

2.3 數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

導(dǎo)出工程文件進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算生產(chǎn)測(cè)區(qū)數(shù)字產(chǎn)品?？杖?jì)算無需多余相控點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行干預(yù)。利用最新的多視圖三維重建技術(shù)，內(nèi)定向與三維模型重建實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化[11]，生成高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DEM與DOM數(shù)據(jù)。DOM如圖1所示，可以看出研究區(qū)內(nèi)的居民地、道路、植被土質(zhì)等地圖信息清晰可見。

圖1 研究區(qū)1∶2000 DOM數(shù)據(jù)

為獲取測(cè)區(qū)內(nèi)的DLG數(shù)據(jù)，新建地形模型。測(cè)圖系統(tǒng)采用裸眼3D技術(shù)生產(chǎn)加工DLG數(shù)據(jù)，該技術(shù)方法在打破傳統(tǒng)測(cè)圖方式的同時(shí)降低了對(duì)測(cè)圖人員的專業(yè)技術(shù)性要求。繪制地形圖以《國(guó)家基本比例尺地圖圖示第一部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖示》為基礎(chǔ)進(jìn)行表示，要求線劃信息美觀、完整、不可隨意打斷且屬性正確完整。圖層按居民地、道路、水系、等高線、植被、高程點(diǎn)、境界等分類采集整理。

2.4 三維建模

生產(chǎn)加工得到的DLG數(shù)據(jù)作為4D產(chǎn)品之一，可以較全面地描述地表現(xiàn)象，為專業(yè)測(cè)繪單位空間分析與決策提供數(shù)據(jù)支持。但是對(duì)于一些非測(cè)繪專業(yè)人員，判讀有一定困難。三維模型數(shù)據(jù)可以很好地解決這一問題，其以直觀性、客觀性和真實(shí)性等特性,成為數(shù)字城市數(shù)據(jù)庫中的重要組成部分[12]。通過建立三維模型，可以使用戶對(duì)景觀與環(huán)境產(chǎn)生直觀的三維效果印象,因此該技術(shù)在旅游、測(cè)繪等行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景[13]。

利用Smart3D軟件制作三維模型，需要利用導(dǎo)出項(xiàng)目文件中的POS數(shù)據(jù)和航攝相片。系統(tǒng)采用的是雙頻雙星技術(shù)，保證了無人機(jī)在飛行過程中獲得厘米級(jí)別的精確度，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在飛行過程中記錄每個(gè)曝光點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，并且每一張相片位置信息都具有RTK的固定解精度，從而在三維建模時(shí)不需要輸入相控點(diǎn)，只需輸入POS數(shù)據(jù)進(jìn)行位置定位。建立空三關(guān)系模型，運(yùn)算工程后最后輸出三維模型，如圖2所示?？梢钥闯龅乩頂?shù)據(jù)從傳統(tǒng)的二維平面圖的表達(dá)方式轉(zhuǎn)換為以三維立體的方式顯示[14]，生成模型可以清楚地顯示被植被隱藏的道路、電線桿等地物信息。施工設(shè)計(jì)部門可以準(zhǔn)確計(jì)算土方量，得到相應(yīng)的平面圖、剖面圖。

圖2 研究區(qū)三維模型

3 精度分析與效率對(duì)比

精度分析是制作地形圖必不可少的環(huán)節(jié)，以便判定制作地形圖是否滿足國(guó)家規(guī)范要求[15]。為了驗(yàn)證模型精度，計(jì)算生產(chǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平面與高程中誤差，即

式中，m表示數(shù)據(jù)中誤差，單位為m；Δ表示檢查點(diǎn)的不符值，單位m;n表示評(píng)定精度的點(diǎn)數(shù)。

檢查點(diǎn)利用RTK實(shí)測(cè)獲得，包括房角、道路轉(zhuǎn)折點(diǎn)、稻田轉(zhuǎn)角等，結(jié)果見表2。

表2 生產(chǎn)1∶2000地形圖精度分析表

經(jīng)過計(jì)算，平面中誤差為0.086 m，高程中誤差為0.127 m，滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》精度要求。為了檢驗(yàn)天狼星航測(cè)系統(tǒng)的工作效率，研究采用航測(cè)方法與傳統(tǒng)RTK測(cè)圖方法同時(shí)同地作業(yè)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。航空攝影測(cè)量方法工作時(shí)間8 d，其中包括外業(yè)數(shù)據(jù)獲取1 d、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理成圖7 d，完成DEM、DOM、DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作，成圖面積6.351 5 km2。傳統(tǒng)RTK測(cè)圖方法8 d內(nèi)測(cè)圖面積為1.5 km2。對(duì)比分析可知，無人機(jī)航測(cè)方法作業(yè)提升率約為70%。因此利用天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行航測(cè)，不僅提高了工作效率，而且減少了外業(yè)工作量。

4 結(jié) 語

天狼星無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于大比例尺3D數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)加工中，而且可以在基建項(xiàng)目可研階段的三維數(shù)據(jù)模型制作中發(fā)揮重要作用。天狼星無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)打破傳統(tǒng)航測(cè)工作模式，在沒有地面相控點(diǎn)的情況下，生產(chǎn)數(shù)據(jù)滿足測(cè)量規(guī)范的精度要求，在提高測(cè)繪工作效率的同時(shí)，也為施工設(shè)計(jì)部門提供了精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)今后水利水電、土地確權(quán)、城鄉(xiāng)建設(shè)等工作的開展起到積極作用。