無人機航測在長江岸線測繪中的應用

謝 亮，吳正偉

(泰州市測繪院，江蘇 泰州 225300)

無人機航測技術的興起給測繪工作帶來了福音，減少了人工外業(yè)工作量，提高了測繪工作的效率，生成測區(qū)影像圖的同時構建了該區(qū)域的數(shù)字高程模型，不僅在測繪工作中得到長足發(fā)展，而且在傳統(tǒng)農(nóng)林作業(yè)、土地資源調(diào)查、智慧城市、數(shù)字考古、地理國情監(jiān)測、三維實景等應用中也得到快速拓展[1-3]。在對地形復雜、人員較難進入現(xiàn)場的區(qū)域進行地理信息獲取方面，無人機擁有得天獨厚的優(yōu)勢[4-7]。

泰州市地處長江下游北岸、長江三角洲北翼，有著風光秀麗、綿延百里的長江岸線。近年來，泰州市按照“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，對長江堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，努力把長江沿江岸線打造成泰州的生態(tài)寶地。開展長江岸線測繪，可為長江岸線的合理開發(fā)使用提供基礎資料。

由于長江岸線具有地形復雜、成帶狀、長度長等特點，采用傳統(tǒng)的測繪方式，不僅效率低下，而且其地形圖成果難以全面豐富地表達出沿江資源利用的情況。另外，傳統(tǒng)的航測影像畸變差較大，需要布設較多的地面像控點才能完成影像的位置匹配[8-10]，而沿江的周邊地形地貌較為復雜，導致地面像控點的布設困難重重。針對以上特點，本文采用拓普康天狼星(Topcon Sirius Pro)無人機航攝系統(tǒng)，通過實時差分定位，實現(xiàn)免像控高精度航測，可完全擺脫地面條件的限制，大大提高無人機航測的生產(chǎn)效率，且具有生產(chǎn)成本低、成果分辨率高、現(xiàn)勢性強、表現(xiàn)形式豐富等優(yōu)點。

1 拓普康天狼星Sirius Pro高精度無人機測圖系統(tǒng)

天狼星無人機測圖系統(tǒng)由飛行平臺、航測相機、RTK系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)后處理軟件組成。

1.1 飛行平臺

機身采用Elapor工業(yè)級航空泡沫材料，具有起飛重量輕(僅2.7 kg)、飛行姿態(tài)穩(wěn)定、抗風能力強、堅固耐用等優(yōu)點，采用全自動手拋方式起飛、多種降落模式[11]。一般采用自動駕駛輔助的模式降落，能夠簡單、高效、精準地降落到地面。

1.2 航測相機

采用Sony A6300相機，20 mm焦距鏡頭，APS-C CMOS傳感器，2400萬像素。后期根據(jù)需要可安裝Sony RX1R Ⅱ全畫幅相機，可達到4200萬像素。

1.3 RTK系統(tǒng)

天狼星RTK系統(tǒng)由地面GNSS基準站、機載GNSS接收機、差分數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)發(fā)射器組成。GNSS接收機采用226通道，可接收GPS L1 C/A L2C L2 P(Y)、GLONASS L1/L2、Galileo E1衛(wèi)星信號，水平精度為10 mm+1.0×10-6D，垂直精度為15 mm+1.0×10-6D，RTK更新率為100 Hz，可以實時解算飛機在空中的精確位置，高效控制飛機的飛行姿態(tài)。

1.4 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要利用自帶的MAVinci Desktop軟件，根據(jù)測區(qū)范圍和實地情況規(guī)劃飛行線路，創(chuàng)建飛行計劃。飛機起飛后，根據(jù)事先設定的飛行范圍、分辨率、重疊率等參數(shù)，自動設置飛行航線和航拍位置。

1.5 數(shù)據(jù)后處理軟件

像片數(shù)據(jù)處理軟件采用Agisoft公司的PhotoScan軟件，可以與MAVinci Desktop軟件實現(xiàn)無縫對接[12]，完成點云匹配、影像數(shù)據(jù)的自動拼接、勻光勻色，無需人工干預，自動生成DOM和DEM產(chǎn)品；另外，可通過系統(tǒng)附帶的EPS軟件加工生成DLG。

2 項目概況及作業(yè)過程

泰州市長江流經(jīng)高港區(qū)、泰興市、靖江市三縣市，長度近百千米，沿岸主要分布有企業(yè)、碼頭、灘涂、公園等，沿線河網(wǎng)交織分布，植被主要以農(nóng)田、蘆葦、銀杏樹等經(jīng)濟作物為主，兩個江心洲人員無法進入，傳統(tǒng)測繪較為困難。為快速獲取長江岸線的地形數(shù)據(jù)，從而準確統(tǒng)計長江岸線分類長度、沿岸線各類資源情況，筆者采用拓普康天狼星無人機航攝系統(tǒng)進行航測作業(yè)。作業(yè)流程如圖1所示。

2.1 起降點選擇

根據(jù)作業(yè)前現(xiàn)場踏勘的情況，起降點一般選在每一架次航測區(qū)域中心的人流量較小的道路、綠化帶內(nèi)的廣場、廠區(qū)內(nèi)部道路或部分植被較為低矮的農(nóng)田等，結(jié)合飛行當天的風向作適當?shù)恼{(diào)整，盡量選擇頂風起飛和降落，注意起降點避開高壓電線、移動信號塔等高空設施，以及河流、水塘等水系，確保起降安全。

2.2 飛行航線規(guī)劃與航測參數(shù)設定

本項目由于測區(qū)長度較長，根據(jù)長江岸線的走向及周邊地形地貌情況，單架次設置10條航線，主要以帶狀模式飛行為主，具體如圖2所示，航攝寬度為1 km，航高為460 m，航測分辨率設置為9 cm，航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為65%。

2.3 航測數(shù)據(jù)處理

天狼星無人機測圖系統(tǒng)在航攝過程中獲取的每一張像片都具有高精度實時差分定位數(shù)據(jù)，且整合了高精度測時數(shù)據(jù)及實時差分定位數(shù)據(jù)，可通過算法對像片特征點進行匹配，再根據(jù)高精度實時差分數(shù)據(jù)，無需人工干預即可自動生成點云數(shù)據(jù)(如圖3所示)、DEM數(shù)據(jù)(如圖4所示)、DOM數(shù)據(jù)(如圖5所示)。后期還可利用EPS軟件，根據(jù)DEM和DOM加工成DLG產(chǎn)品。對于較大的需要數(shù)天才能完成的項目，航測盡量選擇相同的天氣，確保像片亮度和色調(diào)統(tǒng)一，減少拼接時的色差。

3 精度檢驗與分析

本次長江岸線的航測項目由于長度較長且不是直線，整個航飛共42架次，航飛結(jié)束后在測區(qū)選取地面特征較明顯且均勻分布的檢核點185個，使用RTK實測檢核點平面坐標和高程，并與圖上采集的坐標和高程進行比較，其中一個架次的航測精度比較結(jié)果見表1。

經(jīng)過計算比較分析，該架次的平面最大誤差為0.11 m，最小誤差為0.04 m，高程最大誤差為0.16 m，最小誤差為0.06 m，最終整個項目精度平面中誤差為0.076 m，高程中誤差為0.11 m，滿足相關規(guī)范和項目的要求。

表1 檢核點精度統(tǒng)計 m

續(xù)表1

4 結(jié) 語

隨著無人機技術的迅速發(fā)展，利用無人機平臺進行低空航測是現(xiàn)代航空攝影測量的發(fā)展趨勢之一，整合RTK定位的免像控技術，在復雜地形條件下進行無人機航測將會更加高效和便捷。本文通過拓普康天狼星Sirius無人機測圖系統(tǒng)在長江岸線測繪的應用，充分驗證了新型無人機航攝系統(tǒng)的操作簡單、穩(wěn)定可靠、起降容易、自動化程度高等特點，特別適合在地形地貌復雜、不易布設像控點的區(qū)域進行航測。其航測精度完全滿足1∶500、1∶1000等大比例尺地形圖的需要，而且其成果豐富多樣，包含DLG、DOM、DEM等產(chǎn)品，可滿足不同的應用，突破了傳統(tǒng)測量的理論束縛，開創(chuàng)了全新的作業(yè)模式。

使用過程中也存在一些問題，首先是數(shù)據(jù)發(fā)射器的功率偏小，導致控制飛機距離短，易受到干擾，只能縮小單架次的航測范圍，造成工作效率偏低；其次電池續(xù)航能力還有進一步提升的空間。