無人機(jī)1∶ 2 000帶狀地形圖測量實(shí)踐

牛 洪 柳

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司測繪地理信息研究院，天津 300142)

無人機(jī)航測遙感技術(shù)是繼衛(wèi)星遙感、大飛機(jī)遙感之后發(fā)展起來的一項(xiàng)新型航空遙感技術(shù)[1]。近年來，無人機(jī)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在應(yīng)急測繪保障，國土資源監(jiān)測以及建立、更新地理數(shù)據(jù)庫，動(dòng)態(tài)監(jiān)測土地利用情況等方面發(fā)揮著積極的作用[2]。然而，無人機(jī)航測技術(shù)卻在鐵路勘測中的應(yīng)用較少，究其原因是鐵路勘測對特殊地形、地物的精度要求較高，然而隨著計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的發(fā)展，相機(jī)分辨率的提高，高頻GPS技術(shù)的使用，無人機(jī)航測技術(shù)運(yùn)用于鐵路勘測中地形圖的補(bǔ)測也成為了可能，相對于傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，無人機(jī)航測技術(shù)擁有的機(jī)動(dòng)靈活、快速響應(yīng)、低成本、高現(xiàn)時(shí)性、高分辨率，受天氣機(jī)航空管制影響小，能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)等優(yōu)勢可以較好的適用于鐵路勘測中的地形圖補(bǔ)測工作。本文從單位實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目出發(fā)，歸納總結(jié)無人機(jī)航測技術(shù)的作業(yè)流程及關(guān)鍵技術(shù)，探討分析無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘測小范圍1∶ 2 000圖補(bǔ)測工作的可行性，同時(shí)也為我單位在無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用方面積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 飛行計(jì)劃的制定

無人機(jī)的飛行計(jì)劃由其配套的專業(yè)軟件一體化制定，并擁有飛行計(jì)劃的獨(dú)立文件格式，配套軟件制定完成飛行計(jì)劃后，可將其直接發(fā)送至無人機(jī)用于飛行，其飛行計(jì)劃制定的主要內(nèi)容為航高、偏航角及航帶設(shè)計(jì)。

航測作業(yè)范圍可以在無人機(jī)配套軟件上進(jìn)行設(shè)定或者導(dǎo)入外部kml/kmz格式的范圍文件進(jìn)行確定，根據(jù)所需地形圖的比例尺確定地面分辨率，并結(jié)合測區(qū)地形進(jìn)而確定航高，飛機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)地形自動(dòng)調(diào)整飛行高度以保證航高。一般1∶ 500地形圖，地面分辨率為3 cm～5 cm；1∶ 1 000地形圖，地面分辨率為7 cm～10 cm；1∶ 2 000地形圖，地面分辨率為12 cm～15 cm[3]。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作業(yè)面積約為3 km2，補(bǔ)測1∶ 2 000帶狀地形圖，采用的為15 cm的地面分辨率。偏航角主要表示為航線方向，制定飛行計(jì)劃時(shí)可以手動(dòng)調(diào)整到沿著目標(biāo)區(qū)域的最長邊方向，即航飛時(shí)的最短路徑，如果現(xiàn)場遇到大風(fēng)還需根據(jù)風(fēng)向調(diào)整偏航角。

航帶設(shè)計(jì)是指在航高及偏航角設(shè)定完成后，進(jìn)行的航線規(guī)劃設(shè)計(jì)。無人機(jī)航測的航向重疊度為85%，旁向重疊度為65%[4]，并且考慮到實(shí)驗(yàn)類型無人機(jī)續(xù)航能力為50 min，軟件自動(dòng)規(guī)劃航飛的最短路徑并計(jì)算飛行任務(wù)完成時(shí)間，如果一個(gè)架次的飛行無法完成本次任務(wù)，則會(huì)將本次飛行任務(wù)分兩個(gè)架次進(jìn)行規(guī)劃，并保障兩次飛行區(qū)域的重疊度在20%以上，最后設(shè)定最近飛機(jī)著陸點(diǎn)。

2 航飛前的準(zhǔn)備工作

在無人機(jī)上天進(jìn)行航飛作業(yè)前，必須將前期所有準(zhǔn)備工作做好，從而避免飛機(jī)墜毀，作業(yè)無法完成或者錯(cuò)誤等事故的發(fā)生。本項(xiàng)目無人機(jī)相機(jī)像素為1 600萬，高頻GPS RTK水平精度為10 mm+1.0 ppm，垂直精度為15 mm+1.0 ppm，飛機(jī)起飛前的主要準(zhǔn)備工作如下：

1)飛機(jī)遙控器及飛機(jī)電池需要充電飽滿，內(nèi)存卡空間應(yīng)充足；2)地面控制點(diǎn)提前布設(shè)，布設(shè)此地面控制點(diǎn)主要用于航飛基站架設(shè)，故控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在地勢平坦，無遮擋無信號干擾的地方；3)現(xiàn)場組裝飛機(jī)，如果在雨天飛行時(shí)，為避免雨水進(jìn)入飛機(jī)縫隙，可用膠帶將組裝的螺絲連接處貼??；4)現(xiàn)場架設(shè)基站，建立通訊連接和網(wǎng)絡(luò)連接，即遙控器與飛機(jī)的連接和電腦與飛機(jī)的連接；5)現(xiàn)場確認(rèn)飛機(jī)著陸點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇平坦、上空開闊、人煙較少，距離較近的位置為飛機(jī)著陸點(diǎn)，現(xiàn)場更新飛行計(jì)劃的著陸點(diǎn)并將飛行計(jì)劃發(fā)送給飛機(jī)；6)飛機(jī)起飛前的例行檢查：相機(jī)鏡頭蓋是否取下，飛機(jī)的羅盤、舵面是否正常，飛機(jī)是否接受到正常GPS衛(wèi)星信號，并查看飛機(jī)定位是否正確，電池電量是否飽滿，飛行計(jì)劃是否導(dǎo)入。

完成上述準(zhǔn)備工作后，便可進(jìn)行飛機(jī)起飛航拍工作。

3 航飛及數(shù)據(jù)處理

準(zhǔn)備工作完成后，即可放飛無人機(jī)進(jìn)行航測工作。本項(xiàng)目采用的無人機(jī)可不借助任何起飛道具，而是采用單人手拋式起飛，無人機(jī)起飛后在起飛地點(diǎn)上空盤旋一周進(jìn)行飛機(jī)內(nèi)置參數(shù)自檢后，自行飛到作業(yè)區(qū)域并爬升到設(shè)計(jì)航高進(jìn)行航拍作業(yè)。無人機(jī)航拍過程及進(jìn)度可通過現(xiàn)場的地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過此地面監(jiān)控系統(tǒng)可以觀察到無人機(jī)實(shí)時(shí)航高、偏航角、飛行軌跡、照片張數(shù)、電池電量、GPS衛(wèi)星信號、飛行里程等一系列相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到了全方位監(jiān)控。

本項(xiàng)目使用的無人機(jī)航測系統(tǒng)的最大優(yōu)勢為相對于傳統(tǒng)航測方法，該無人機(jī)航測系統(tǒng)無需進(jìn)行布設(shè)地面控制點(diǎn)的工作。因?yàn)樵摕o人機(jī)航測系統(tǒng)擁有頻率為100 Hz的實(shí)時(shí)差分的RTK模塊，并結(jié)合精密定時(shí)技術(shù)來確定每個(gè)曝光點(diǎn)的精確位置，從而使5 cm的定位精度完全替代了傳統(tǒng)航測的地面控制點(diǎn)布設(shè)工作[5]。當(dāng)無人機(jī)完成航飛任務(wù)準(zhǔn)備飛回時(shí)，便會(huì)通過無線網(wǎng)絡(luò)將自主獲得的像控點(diǎn)資料發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)。

無人機(jī)完成航拍任務(wù)后，便會(huì)按照事先設(shè)計(jì)好的著陸點(diǎn)進(jìn)行著陸，當(dāng)飛機(jī)降落至遙控器控制范圍內(nèi)后，由操控手控制飛機(jī)進(jìn)行安全著陸，飛機(jī)著陸后將相片下載并導(dǎo)入數(shù)據(jù)后處理軟件與像控點(diǎn)進(jìn)行匹配，現(xiàn)場評價(jià)數(shù)據(jù)精度，數(shù)據(jù)合格后將無人機(jī)擦拭、拆分、裝箱。

在后續(xù)影像處理方面，該軟件具有高度自動(dòng)化集成特點(diǎn)。將基站點(diǎn)三維坐標(biāo)輸入數(shù)據(jù)后處理軟件，根據(jù)相機(jī)的檢定參數(shù)，對相片進(jìn)行畸變糾正處理，最終通過空三加密、平差處理[6]、模型恢復(fù)等工作，一鍵完成DOM,DEM,點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型等數(shù)據(jù)的生成[7]。

本項(xiàng)目采用清華山維EPSD2D軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)地形數(shù)據(jù)的采集，主要流程為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯、等高線生成、質(zhì)量檢查及成果輸出[8]。數(shù)據(jù)采集和編輯階段，可利用無人機(jī)后處理軟件制作生成的平面影像配合三維模型直接進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的采集和編輯，不用佩戴立體眼鏡便可在影像圖上直接描繪，使用較直觀、方便和快捷。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照一定間隔提取高程點(diǎn)，便可利用軟件自動(dòng)生產(chǎn)等高線，在成果檢查階段需要對等高線，各地形、地物的矢量、拓?fù)浼拔恢藐P(guān)系進(jìn)行檢查和修改，最終美化DLG格式數(shù)據(jù)并入庫，最終該軟件可以輸出國標(biāo)格式的DLG線畫圖，用于鐵路勘察設(shè)計(jì)。

4 生產(chǎn)過程中問題分析

4.1 影像中部分地物辨識不清，影像模糊

本次外業(yè)航飛制定的影像分辨率為15 cm，設(shè)計(jì)航高值為582 m，但航飛當(dāng)天現(xiàn)場有輕微霧霾，加之航飛航高值較大，最終導(dǎo)致部分影像效果辨識度不高，故現(xiàn)場采用調(diào)繪的方法對影像模糊的范圍進(jìn)行了現(xiàn)場確認(rèn)。

目前國內(nèi)大部分區(qū)域都會(huì)存在霧霾天氣，這對無人機(jī)航測影響較大，當(dāng)無可避免的要在輕微霧霾天氣下作業(yè)時(shí)，作者認(rèn)為可以適當(dāng)提高地面分辨率，降低航高值，從而提高影像質(zhì)量，雖然可能會(huì)增加飛行的架次，但卻可以大量節(jié)約外業(yè)工作，尤其是在危險(xiǎn)區(qū)域。

4.2 采用自動(dòng)化處理的DSM進(jìn)行地形圖采集存在DSM濾波難度大，測量精度不穩(wěn)定的情況

雖然自動(dòng)提取的DSM具有較高的精度，在地形裸露區(qū)域提取的高程點(diǎn)精度能夠滿足1∶ 2 000地形圖的要求，但在植被(包括稀疏植被)區(qū)或者被植被干擾的區(qū)域，DSM濾波難度大，不適應(yīng)自動(dòng)生成等高線和高程點(diǎn)。

本項(xiàng)目采用Virtual Surveyor軟件，分區(qū)域利用DEM生成離散高程點(diǎn)，將提取高程點(diǎn)導(dǎo)入EPSD2D軟件生成等高線，此項(xiàng)工作較為繁瑣，如果區(qū)域遮擋嚴(yán)重或者作業(yè)范圍較大則此項(xiàng)工作的工作量會(huì)大幅增加，基于目前的實(shí)驗(yàn)表明，無人機(jī)航測技術(shù)可應(yīng)用于小范圍的地形測量作業(yè)，如在大范圍內(nèi)進(jìn)行地形圖測量，無人機(jī)航測技術(shù)在立體模型下進(jìn)行矢量采集受到航片基高比、相機(jī)畸變改正及DSM濾波難度大等因素的影響，其測量精度不穩(wěn)定。如果要適應(yīng)于立體采集，則需要更加專業(yè)的量測相機(jī)。

4.3 外業(yè)驗(yàn)證無人機(jī)航測成果精度

在項(xiàng)目作業(yè)區(qū)域利用GPS-RTK實(shí)測了某些房角和路面高程點(diǎn)，以驗(yàn)證平面和高程精度，具體統(tǒng)計(jì)情況如表1所示，空三加密精度及外業(yè)檢測地物限差如表2所示。

表1 RTK外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)與無人機(jī)航測數(shù)據(jù)精度對比表

表2 空三加密精度及外業(yè)檢測各類地物限差

由表1，表2統(tǒng)計(jì)情況表明，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目使用無人機(jī)高頻率RTK技術(shù)，獲取的外方位元素的線元素精度高，空三加密精度滿足精度要求，可通過無像控的方式達(dá)到較高的精度，通過自動(dòng)化的多基線處理(高重疊率)匹配處理得到DSM和DOM，并最終通過外業(yè)實(shí)測檢驗(yàn)證明：采用無人機(jī)航測技術(shù)獲得的DSM和DOM能夠滿足1∶ 2 000地形圖測量精度要求。

5 結(jié)語

本文通過單位實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)例，詳細(xì)闡述了采用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行1∶ 2 000地形圖測量的步驟及內(nèi)業(yè)生產(chǎn)注意事項(xiàng)，并最終通過外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此項(xiàng)技術(shù)能夠滿足1∶ 2 000地形圖測量精度要求[9]，為我單位在無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用方面積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。