小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在獲取大比例尺地形數(shù)據(jù)中的應(yīng)用研究

姬洪亮

摘要：以某測(cè)區(qū)1：1000地形圖測(cè)繪項(xiàng)目為例，介紹了利用小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)DJI Phantom 4 Pro和PhotoScan影像處理軟件獲取4D產(chǎn)品的基本流程。通過(guò)GNSS RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與獲取地形數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，平面中誤差為0.136m，高程中誤差為0.072m，結(jié)果滿足規(guī)范要求，而且對(duì)更大比例尺地形圖測(cè)繪也有借鑒意義。

Abstract： Taking a surveying project of 1：1000 topographic map as an example， this article introduced the basic process of acquiring 4D products using small consumer UAV DJI Phantom 4 Pro and PhotoScan image processing software. Through accuracy evaluation by GNSS RTK measured data and acquired topographic data， the mean error is 0.136m in the horizontal direction and 0.072m in the vertical direction. The result meets the specification requirements， and the mapping of larger scale topographic maps is also useful for reference.

關(guān)鍵詞：小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī);遙感系統(tǒng);大比例尺;地形數(shù)據(jù)

Key words： small consumer UAV;remote sensing;large scale;topographic data

中圖分類號(hào)：P231.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）08-0176-04

0 ?引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)土資源及其他各行各業(yè)對(duì)大比例尺、高分辨率數(shù)據(jù)的需求也日益增加，以此為契機(jī)，無(wú)人機(jī)低空數(shù)字遙感領(lǐng)域也得到飛速發(fā)展。在制作成本和操控性方面有了革命性的發(fā)展，從而使無(wú)人機(jī)從傳統(tǒng)的軍事、航測(cè)等專業(yè)領(lǐng)域步入大眾消費(fèi)市場(chǎng)，無(wú)人機(jī)在獲取數(shù)據(jù)成本低、機(jī)動(dòng)靈活、速度快、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)情監(jiān)測(cè)、地質(zhì)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及城市規(guī)劃等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同可將無(wú)人機(jī)分為大型專業(yè)級(jí)和小型消費(fèi)級(jí)。已有學(xué)者通過(guò)研究表明大型專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的測(cè)量精度可以達(dá)到厘米級(jí)，但大型專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)工作流程繁瑣，操控難度大，需要專業(yè)操控手而且必須申請(qǐng)飛行空域，天氣變化也很容易影響其工作狀態(tài)，因此限制了其快速靈活的獲取地形數(shù)據(jù)。相對(duì)而言，小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)具有易上手、低成本、高效率及飛行靈活等優(yōu)勢(shì)[2]。然而，目前針對(duì)小型消費(fèi)型無(wú)人機(jī)獲取大比例尺地形數(shù)據(jù)和對(duì)獲取的數(shù)據(jù)精度研究不足，亟待進(jìn)行更加深入的探討。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，選擇一小面積測(cè)區(qū)通過(guò)小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)獲取大比例尺地形數(shù)據(jù)，并結(jié)合RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證評(píng)價(jià)獲取地形數(shù)據(jù)的精度。

1 ?無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙感（UAV Remote Sensing， UAVRS）是利用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行實(shí)施處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[3]。

現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)類型主要有無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等多種類型，各類型無(wú)人機(jī)都有不同的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)特點(diǎn)。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行速度、飛行高速可以自由調(diào)整，可低空飛行且?guī)缀醪皇芷鸾祱?chǎng)地的限制，操作方便、簡(jiǎn)單靈活，更適宜于小面積大比例尺地形數(shù)據(jù)的獲取，因此筆者選用大疆創(chuàng)新科技精靈系列四旋翼小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)（DJI Phantom 4 Pro）。

Phantom 4 Pro由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套使用的DJI GO 4 APP組成，飛行器重為1388g，飛行器機(jī)身內(nèi)部集成了飛控系統(tǒng)，具備指南針系統(tǒng)和雙冗余慣性測(cè)量單元，機(jī)身配備先進(jìn)的視覺(jué)定位以及障礙物感知系統(tǒng)，配備全新24mm低畸變廣角相機(jī)、高精度防抖云臺(tái)以及1英寸CMOS圖像傳感器，云臺(tái)配備精度為±0.02°的影像穩(wěn)定系統(tǒng)，可以拍攝高質(zhì)量2000萬(wàn)像素JPEG以及無(wú)損RAW格式像片。最大水平飛行速度為20米/秒，工作時(shí)間約為30分鐘。

2 ?應(yīng)用實(shí)例

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

研究以某測(cè)區(qū)1：1000地形圖基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目為例，測(cè)區(qū)面積約為2km2，地形為丘陵，海拔最高1911m，最低為1717m，測(cè)區(qū)地物為草地，有少量道路和房屋，房屋多為平房。測(cè)區(qū)像片控制點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱像控點(diǎn)）采用統(tǒng)一的區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案，要求所有的像控點(diǎn)為平高控制點(diǎn)，一個(gè)飛行架次內(nèi)不得少于3個(gè)像控制點(diǎn)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)9個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)的平面及高程測(cè)量均采用GPS RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，平面控制點(diǎn)相對(duì)臨近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)超過(guò)地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5，高程控制點(diǎn)相對(duì)臨近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不應(yīng)超過(guò)基本等高距的1/10[4]。

工作過(guò)程中選用大疆創(chuàng)新科技研發(fā)的DJI GS PRO地面站，它是一款強(qiáng)大的無(wú)人機(jī)操作及綜合管理的iPad端應(yīng)用程序。通過(guò)直觀簡(jiǎn)易的交互設(shè)計(jì)，只需要簡(jiǎn)單的屏幕操作就可以完成規(guī)劃復(fù)雜的航線任務(wù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)航點(diǎn)飛行作業(yè)?？梢酝ㄟ^(guò)自主設(shè)計(jì)飛行航線、飛行速度、拍照間隔、拍照模式、航向旁向重疊度等參數(shù)，實(shí)例中航攝設(shè)計(jì)航高為200m相對(duì)航高，設(shè)計(jì)20條航線，分兩個(gè)架次完成，共拍攝512張像片。航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%，攝區(qū)邊界覆蓋一般不少于像幅的30%;每條航線首尾位置按超出攝區(qū)所在圖幅邊界外至少各一條基線。航攝比例尺為1：1000，拍攝得到的像片地面分辨率為7.6cm。外業(yè)作業(yè)流程嚴(yán)格執(zhí)行《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求，既要保證具有充足的光照度，又要避免過(guò)大的陰影，航攝時(shí)間限制在上午11時(shí)至下午17時(shí)之間，從而保證飛行質(zhì)量，在完成攝影后，要仔細(xì)進(jìn)行質(zhì)量檢查，質(zhì)量檢查內(nèi)容包括：①影像清晰度;②重疊度及航攝漏洞;③航攝區(qū)域與成圖區(qū)域覆蓋情況;④航片的傾角、旋偏角、航線的彎曲度符合技術(shù)要求。如有不符合要求的情況，需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)飛，務(wù)必最終檢查原始航片圖像清晰、曝光準(zhǔn)確、無(wú)航攝漏洞、重疊度和圖像質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)處理原理同數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理一樣，也是對(duì)在兩點(diǎn)拍攝的具有規(guī)定重疊度的2張影像，建立攝影瞬間投影中心、地物和影像之間的共線方程，根據(jù)地面控制點(diǎn)（ground control point，GCP）的實(shí)際坐標(biāo)，算出與影像連接點(diǎn)（tie point，TP）對(duì)應(yīng)的地物三維坐標(biāo)[5]。

本次選用的影像處理軟件是PhotoScan，PhotoScan可以從一組具有相關(guān)參考信息、并且具有一定重疊度的圖像中聲稱地理參考密集點(diǎn)云，紋理多邊形模型，數(shù)字高程模型以及數(shù)字正射影像圖。首先將獲得的各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理及預(yù)處理，導(dǎo)入影像處理軟件PhotoScan中，通過(guò)POS數(shù)據(jù)及相應(yīng)相機(jī)參數(shù)可計(jì)算出照片姿態(tài)及位置;對(duì)齊照片，PhotoScan可以在此階段找到重疊相片之間的匹配點(diǎn)，計(jì)算每張相片的相機(jī)位置并構(gòu)建稀疏點(diǎn)云模型;放置標(biāo)記（刺點(diǎn)），標(biāo)記用于優(yōu)化攝像機(jī)位置和方向數(shù)據(jù)，從而可以獲得更好的模型參考結(jié)果，將9個(gè)均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)的地面控制點(diǎn)（GCP）坐標(biāo)準(zhǔn)確的標(biāo)記在含有GCP的相片上;檢查每張相關(guān)相片上的標(biāo)記點(diǎn)位置，并在需要時(shí)優(yōu)化位置從而提高精度，為了在計(jì)算相機(jī)外部和內(nèi)部參數(shù)以及校正可能的失真時(shí)獲得更高的準(zhǔn)確度，應(yīng)該運(yùn)行優(yōu)化相機(jī)對(duì)齊程序，像控點(diǎn)殘差如表1所示;從工作流程菜單中選擇“建立密集點(diǎn)云”命令，基于估計(jì)的相機(jī)位置，程序計(jì)算出每個(gè)相機(jī)的深度信息，以組合成單個(gè)密集點(diǎn)云;在建立密集點(diǎn)云之后，基于密集點(diǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)生成多邊形網(wǎng)絡(luò)模型;基于密集點(diǎn)云或網(wǎng)絡(luò)模型生成數(shù)字高程模型;從工作流程菜單中選擇“Build Orthomosaic”命令生成正射影像，最后便可導(dǎo)出DEM、DOM[6]。

地形數(shù)據(jù)獲取采用全數(shù)字立體測(cè)圖技術(shù)方法，采用“由內(nèi)業(yè)至外業(yè)”的作業(yè)流程。依據(jù)“內(nèi)業(yè)定位，外業(yè)定性”的宗旨，通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)和空中三角測(cè)量成果，利用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站進(jìn)行高自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理，極大的減少人工干預(yù)，獲取地形圖地貌、地物要素，然后通過(guò)外業(yè)對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的修測(cè)補(bǔ)測(cè)和屬性調(diào)查。最終通過(guò)數(shù)字正射影像圖和野外調(diào)繪完成數(shù)字線劃圖的制作。本次數(shù)字處理流程如圖1所示。

3 ?結(jié)果分析

3.1 誤差來(lái)源分析

在航空攝影理論中，對(duì)于產(chǎn)品結(jié)果精度的分析可通過(guò)像點(diǎn)的精度、定向點(diǎn)的精度以及檢查點(diǎn)的精度來(lái)考慮，而且通常來(lái)說(shuō)，外業(yè)飛行質(zhì)量、相片獲取質(zhì)量、相片地面分辨率、空三加密精度都會(huì)對(duì)最終數(shù)字產(chǎn)品的精度產(chǎn)生影響[8]。一般來(lái)說(shuō)，影響空中三角測(cè)量精度的原因主要包含兩大類：一個(gè)是對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生直接影響的因素，例如航攝儀參數(shù)（像元數(shù)、像元尺寸、像元角、焦距、像移補(bǔ)償?shù)龋?、航攝比例尺、空中三角測(cè)量作用過(guò)程中使用的測(cè)量?jī)x器和攝影材料的穩(wěn)定性以及像片系統(tǒng)誤差的改正等;另一個(gè)是影響區(qū)域網(wǎng)幾何強(qiáng)度的要素，包括布設(shè)區(qū)域網(wǎng)像控點(diǎn)的采集精度、像控點(diǎn)數(shù)量和分布情況、航線設(shè)計(jì)的規(guī)律及重疊度的大小、輔助數(shù)據(jù)（GPS/POS）的使用情況、空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中控制點(diǎn)權(quán)值大小的設(shè)置等。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外業(yè)像控點(diǎn)標(biāo)記時(shí)產(chǎn)生了較大的誤差，產(chǎn)生的原因主要是外業(yè)像控點(diǎn)的的布設(shè)位置不夠合理（布設(shè)像控點(diǎn)位置不夠平坦）、像控點(diǎn)標(biāo)記不夠明顯，不易判讀。造成在內(nèi)業(yè)處理時(shí)進(jìn)行像控點(diǎn)標(biāo)記時(shí)目標(biāo)點(diǎn)不明確，刺點(diǎn)精度低;像控點(diǎn)布設(shè)位置不夠平坦會(huì)帶來(lái)較大的高程殘差。同時(shí)在以后的研究過(guò)程中可以考慮多種像片控制點(diǎn)的布設(shè)方案，從而來(lái)比較區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案對(duì)空中三角測(cè)量精度的影響。

3.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度評(píng)估

通過(guò)PhotoScan軟件處理生成的測(cè)區(qū)正射影像和數(shù)字高程模型如圖2圖3所示，該影像沒(méi)有經(jīng)過(guò)后期處理，通過(guò)目視判讀可以初步看出DOM數(shù)據(jù)拼接效果較好，無(wú)錯(cuò)縫，色調(diào)也較均勻，明暗反差適宜，地物判讀比較容易。

為評(píng)估地形數(shù)據(jù)測(cè)繪產(chǎn)品的幾何精度，采集像控點(diǎn)階段，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)按照均勻分布的原則，依照像控點(diǎn)測(cè)量的要求同時(shí)采集一定數(shù)量的平高檢查點(diǎn)用來(lái)進(jìn)行精度檢測(cè)。實(shí)際工作中通過(guò)GNSS RTK測(cè)量一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，以真實(shí)坐標(biāo)作為參考值來(lái)評(píng)定最終地形數(shù)據(jù)的精度，可以在外業(yè)布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)直接布設(shè)平高檢查點(diǎn)，也可以在外業(yè)調(diào)繪過(guò)程中采用全野外解析法，測(cè)取一些特征明顯的地物點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，如房屋角點(diǎn)、構(gòu)筑物拐點(diǎn)作為平面檢查點(diǎn)，在高程變化較小的地方設(shè)置高程檢查點(diǎn)。研究中在測(cè)區(qū)通過(guò)GNSS RTK實(shí)測(cè)了29個(gè)平高檢查點(diǎn)，將這些檢查點(diǎn)的數(shù)值與數(shù)字線劃圖和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢查點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差可按照公式（1）計(jì)算[7]，誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

式中，m1為檢查點(diǎn)中誤差，Δ為檢查點(diǎn)野外實(shí)測(cè)值與解算值的誤差，n為參與評(píng)定精度的檢查點(diǎn)數(shù)。

從表2、表3中可以看出，無(wú)人機(jī)遙感影像處理結(jié)果最大平面誤差為0.267m，平面中誤差為0.136m，平面誤差在5-10cm的占比28%，平面誤差在10-15cm的占比52%，平面誤差在15-20cm的占比10%，平面誤差在20cm以上的占比10%;最大高程誤差為0.187m，高程中誤差為0.072m，高程誤差在5cm以內(nèi)的占比66%，高程誤差在5-10cm的占比21%，高程誤差在10-15cm的占比10%，高程中誤差在15-20cm的占比3%，誤差沒(méi)有大于20cm的檢查點(diǎn)。平面精度和高程精度都比較好，而且誤差分布規(guī)律符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。根據(jù)《GB/T 23236-2009 數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》要求，1：1000比例尺在檢查點(diǎn)平面和高程誤差最大限值分別為0.50m和0.28m，本次結(jié)果遠(yuǎn)高于限差要求，且檢查點(diǎn)中有86%的平面誤差和90%的高程誤差值滿足1：500比例尺檢查點(diǎn)平面和高程最大限值0.175m和0.150m的要求，因此小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在獲取更大比例尺地形數(shù)據(jù)中的應(yīng)用前景依然廣闊。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在獲取大比例尺地形數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探索，以某小面積測(cè)區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取了測(cè)繪4D產(chǎn)品。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)我們可以了解到小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)獲取數(shù)據(jù)的整個(gè)流程，通過(guò)PhotoScan對(duì)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了高質(zhì)量的地形數(shù)據(jù)，平面中誤差為0.136m，高程中誤差為0.072m，可滿足1：1000地形圖的精度要求，數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度明顯優(yōu)于項(xiàng)目精度要求，而且對(duì)于更大比例尺的測(cè)量項(xiàng)目也可采用該方案。小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在研究中得到了充分的體現(xiàn)，既可以快速、高效的完成工作任務(wù)，又節(jié)約了大量的人力和物力成本，小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在今后的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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