大疆精靈系列無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖快速成圖中的應(yīng)用

張文博

摘要：無(wú)人機(jī)測(cè)繪主要是通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航空攝影，然后利用配套航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)航拍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，制作出特定區(qū)域的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字地形圖等。而大疆精靈系列無(wú)人機(jī)具有小巧輕便、性能穩(wěn)定、易上手的特點(diǎn)，可以進(jìn)行高精度航拍。本文將大疆精靈4 Pro 無(wú)人機(jī)應(yīng)用于某地形圖成圖項(xiàng)目中，有效縮短了項(xiàng)目作業(yè)時(shí)間，充分減輕測(cè)量外業(yè)工作強(qiáng)度，有效提高了作業(yè)效率，在項(xiàng)目實(shí)踐中得到了較好的應(yīng)用。

Abstract： UAV surveying and mapping mainly uses aerial photography of target areas through UAV， and then uses the supporting aerial survey data processing system to effectively process aerial image data to produce digital orthophoto maps and digital topographic maps of specific areas. The DJI Elf series UAV has the characteristics of small and light， stable performance， easy to use， and can perform high-precision aerial photography. This article applies the DJI 4 Pro UAV to a topographic map mapping project， which effectively shortens the project operation time， fully reduces the measurement field work intensity， effectively improves the operation efficiency， and has been better applied in project practice.

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)測(cè)繪;地形圖成圖;精靈無(wú)人機(jī)

Key words： UAV mapping;topographic mapping;eidolon UAV

中圖分類號(hào)：V279+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0242-03

1? 大疆精靈系列無(wú)人機(jī)

大疆精靈系列無(wú)人機(jī)，是中國(guó)深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司推出的一款便攜式四旋翼飛行器，由飛行器、飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控器等部分組成，用戶只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的部件安裝、連接等工作，便可輕松操作無(wú)人機(jī)飛行和拍攝。

精靈3是一款微小型一體航拍無(wú)人機(jī)，飛機(jī)搭載DJI的智能飛控，擁有精確的姿態(tài)算法，穩(wěn)定的飛控，智能化的電調(diào)組合，有效提高了無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，使得操縱更加簡(jiǎn)單便捷。精靈3能自動(dòng)記錄航線、飛行距離和時(shí)間、起飛地點(diǎn)等飛行信息。

精靈4 Advanced配備1英寸2000萬(wàn)像素CMOS影像傳感器以及7組8片全玻璃鏡片組成的高解析度鏡頭，同時(shí)采用機(jī)械快門以降低拖影，關(guān)鍵性能與同級(jí)別的地面相機(jī)相當(dāng)。

精靈4 Pro搭載了6個(gè)視覺(jué)傳感器、主相機(jī)、2組紅外傳感器、1組超聲波傳感器、GPS/GLONASS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)、IMU和指南針雙冗余傳感器，可以在飛行時(shí)獲取實(shí)時(shí)圖像、深度、定位等信息，構(gòu)建飛行器周圍的3D地圖并確定自己的位置。大疆精靈系列無(wú)人機(jī)參數(shù)對(duì)比如表1所示。

2? 無(wú)人機(jī)測(cè)繪的優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪的主要優(yōu)勢(shì)包括幾下幾點(diǎn)：

2.1 作業(yè)成本低、效率高

小型無(wú)人機(jī)的成本較低，搭載的云平臺(tái)相比于其他遙感系統(tǒng)，也有著價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。例如大疆消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)精靈系統(tǒng)，市場(chǎng)價(jià)格約為1-2萬(wàn)元，整套航拍系統(tǒng)成本低廉。同時(shí)，無(wú)人機(jī)航測(cè)無(wú)需專業(yè)航測(cè)設(shè)備，操作手經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)學(xué)習(xí)即可安全、熟練掌握無(wú)人機(jī)的整個(gè)操作系統(tǒng)，可以快速、便捷的獲取影像數(shù)據(jù)，作業(yè)效率大大提高。

2.2 無(wú)人機(jī)能夠快速獲取高分辨率影像

無(wú)人機(jī)屬于超低空飛行，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感影像經(jīng)常受云層遮擋的問(wèn)題，可以使獲取的測(cè)區(qū)影像質(zhì)量大幅度提高。同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行低空多角度的拍攝，輕松獲取物體多面的高清紋理影像，空間分辨率可達(dá)厘米級(jí)，可有效用于構(gòu)建物體的高精度DSM模型，制作出精細(xì)的三維立體模型。

2.3 機(jī)動(dòng)靈活、時(shí)效性強(qiáng)

無(wú)人機(jī)無(wú)需專用飛機(jī)起降場(chǎng)地，可在短時(shí)間內(nèi)完成升空和降落，靈活機(jī)動(dòng)。同時(shí)，小型無(wú)人機(jī)受空中管制制約較少，在建筑物密集的城市區(qū)域和南方丘陵地帶，可以充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，將大量的野外測(cè)量工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)處理，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)作業(yè)時(shí)效性。

3? 工程案例

3.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為長(zhǎng)沙縣某村鎮(zhèn)鄉(xiāng)村路周邊綠化改造，道路全長(zhǎng)約2.8公里，道路周邊以大面積田地、池塘、房屋為主，項(xiàng)目要求快速獲取項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)道路周邊50m內(nèi)的地形地物，制作1：1000比例尺地形圖，供設(shè)計(jì)單位參考利用。

3.2 無(wú)人機(jī)作業(yè)平臺(tái)

本次項(xiàng)目所采用的飛行平臺(tái)是大疆精靈4 Pro，是一款四旋翼輕型無(wú)人機(jī)，該機(jī)的起飛重量可達(dá)1391克，作業(yè)飛行速度約為10m/s，最大飛行時(shí)間約30分鐘。無(wú)人機(jī)所帶相機(jī)參數(shù)如表2所示。

采用的航線規(guī)劃軟件為DJI Pilot，該應(yīng)用軟件是在DJIGo4應(yīng)用的基礎(chǔ)上打造的，可以完成航線的規(guī)劃與計(jì)劃，并且自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜的飛行線路，使得無(wú)人機(jī)按照預(yù)定航線和設(shè)定，完成區(qū)域內(nèi)飛行動(dòng)作。

3.3 作業(yè)流程

3.3.1 航線規(guī)劃

正式作業(yè)前，首先需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行勘察探測(cè)，初步掌握測(cè)區(qū)地形、地物、交通等方面的信息，查看測(cè)區(qū)內(nèi)地形高低起伏差值，從而對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航線進(jìn)行初步規(guī)劃。由于大疆精靈4 Pro無(wú)人機(jī)單片電池容量有限，所以單次飛行作業(yè)時(shí)長(zhǎng)控制在30分鐘內(nèi)，采用線路分路段、分架次的作業(yè)模式，單架次飛行大約1公里左右，以道路中心為中心，拍攝道路兩邊約100m寬度范圍內(nèi)的影像。

然后設(shè)置飛行參數(shù)，根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況和作業(yè)要求，本次飛行設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行高度為150m，航向重疊度 70%，旁向重疊度60%等。

3.3.2 像片控制測(cè)量

在測(cè)區(qū)內(nèi)，需要布設(shè)像片控制點(diǎn)。像控點(diǎn)應(yīng)該選擇在影像清晰、便于準(zhǔn)確刺點(diǎn)的目標(biāo)上布設(shè)，多選擇在線狀地物交點(diǎn)和地物拐角點(diǎn)上，約每200m布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)坐標(biāo)采用國(guó)家2000坐標(biāo)系統(tǒng)，測(cè)區(qū)中央經(jīng)線設(shè)置為東經(jīng)114°，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。像片控制點(diǎn)采用GPS-RTK的方法測(cè)量，每個(gè)控制點(diǎn)平滑測(cè)量10次，獲取該點(diǎn)的平滑坐標(biāo)。GPS-RTK測(cè)量像控點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，可以直接測(cè)定出像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，不需要再次進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。

3.3.3 航空攝影

綜合考慮天氣等情況，選擇航空攝影的日期與時(shí)間段，并預(yù)先給飛機(jī)電池、遙控器、控制平板電腦等設(shè)備充滿電。在航空攝影當(dāng)天，帶好飛機(jī)、遙控器、平板電腦等設(shè)備到達(dá)測(cè)區(qū)內(nèi)，選擇相對(duì)較平坦、安全的一塊區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)的起降操作，以免發(fā)生起降故障。連接好無(wú)人機(jī)設(shè)備后，即可起飛無(wú)人機(jī)，使其按照規(guī)劃航線飛行，飛行過(guò)程中，操作人員需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，包括飛行高度、飛行速度、電池電量、飛行拍攝軌跡等，要根據(jù)各種實(shí)時(shí)狀況做出相應(yīng)的操控，保證無(wú)人機(jī)的正常作業(yè)。若遇到電力不足的情況需先行返航，更換電池后繼續(xù)作業(yè)。

3.3.4 飛行質(zhì)量檢查

航攝質(zhì)量檢查包括對(duì)航空攝影成果飛行質(zhì)量、影像質(zhì)量、數(shù)據(jù)質(zhì)量及附件質(zhì)量等進(jìn)行檢查。飛行質(zhì)量檢查項(xiàng)目有像片重疊度、像片傾斜角、航飛高度、航線彎曲度、航攝漏洞、攝區(qū)覆蓋度等內(nèi)容;影像質(zhì)量檢查包括影像的最大位移、清晰度、反差、有無(wú)遮擋像控點(diǎn)的照片等;數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查包括數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)的一致性，即無(wú)人機(jī)飛行軌跡要與規(guī)劃航線一致。如果像片質(zhì)量存在問(wèn)題，要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)飛。

3.3.5 內(nèi)業(yè)生產(chǎn)

主要是利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)外業(yè)獲取的影像數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等，按照攝影測(cè)量生產(chǎn)規(guī)范，進(jìn)行空中三角測(cè)量或獨(dú)立模型定向、DEM生產(chǎn)、DOM生產(chǎn)的過(guò)程。然后再進(jìn)行地物的數(shù)字化處理，依據(jù)地形圖成圖規(guī)范，按要求制作測(cè)區(qū)大比例尺地形圖。

本次作業(yè)內(nèi)業(yè)生產(chǎn)采用軟件為Double Grid平民化攝影測(cè)量后處理軟件，采用的影像數(shù)據(jù)處理硬件為Win10 64位旗艦版計(jì)算機(jī)和立體采集設(shè)備。成果產(chǎn)品包括空三定向成果、DEM成果、正射影像成果、DLG數(shù)字線畫圖成果。成圖比例尺采用1：1000比例尺，DEM格網(wǎng)間距為1m，正射影像地面分辨率為0.1m，DLG要求采集測(cè)區(qū)中道路周邊50m范圍內(nèi)的所有地物和地貌特征。

3.3.6 外業(yè)復(fù)查

不同于傳統(tǒng)的外業(yè)調(diào)繪，本次作業(yè)所進(jìn)行的外業(yè)復(fù)查工作，是在內(nèi)業(yè)成圖完成后，檢查人員到測(cè)區(qū)進(jìn)行成果地形圖檢查，對(duì)照實(shí)地情況，將圖面不夠清晰或者影像上難以辨認(rèn)的地物進(jìn)行核實(shí)標(biāo)注，需要的地方再進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)測(cè)，然后直接在成果圖上進(jìn)行修改，進(jìn)一步提高成果質(zhì)量，同時(shí)加快修圖改圖的效率。

4? 作業(yè)效率分析

針對(duì)該項(xiàng)目的特點(diǎn)與實(shí)際需求，將無(wú)人機(jī)測(cè)繪作業(yè)效率與傳統(tǒng)測(cè)繪作業(yè)效率進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表3所示。

通過(guò)以上分析可知，對(duì)于測(cè)區(qū)形狀特殊（如帶狀地形）、測(cè)區(qū)面積不大、作業(yè)時(shí)間較短的情況下，大疆精靈系列無(wú)人機(jī)由于作業(yè)便捷、成本低廉的特點(diǎn)，可以縮短作業(yè)時(shí)間，減輕外業(yè)作業(yè)強(qiáng)度，有效提高項(xiàng)目作業(yè)效率。

5? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在行業(yè)中發(fā)展迅速，在各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛應(yīng)用，大疆精靈系列無(wú)人機(jī)成本低廉，性能穩(wěn)定，小巧靈活，再結(jié)合GPS-RTK測(cè)量技術(shù)，在大比例尺地形圖快速成圖中可以發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]張沙千.試論無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在測(cè)繪工程測(cè)量中的應(yīng)用[J].局舍，2019（11）.

[2]唐俊.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27.

[3]姬洪亮.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[J].價(jià)值工程，2019，38（08）：176-179.