無人機傾斜航測技術(shù)和SLAM移動測量技術(shù)融合在測制1：500地籍圖中的應(yīng)用*

張?zhí)烨?/p>

(廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

伴隨中國的經(jīng)濟水平的提高以及社會不斷發(fā)展建設(shè)，科學(xué)技術(shù)水平也逐漸發(fā)展進步，促使各種新技術(shù)不斷被研發(fā)，并應(yīng)用到各個領(lǐng)域之中。現(xiàn)代測繪技術(shù)[1]也在不斷完善和創(chuàng)新，進而對現(xiàn)代工程測繪工作帶來了重要的意義。相關(guān)部門應(yīng)該針對新技術(shù)對現(xiàn)代測繪技術(shù)的影響進行分析和研究，并對現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展方向做出明確的判斷，這樣才能夠不斷提高工程測繪工作的水平和質(zhì)量，促進我國社會的建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展。

近幾年，測繪地理信息技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)獲取方式越來越便捷，無人機技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，也受到了越來越多人的關(guān)注。無人機傾斜攝影技術(shù)是在無人機上搭載微型傾斜相機，從垂直、傾斜等不同角度進行高分辨率的傾斜航空攝影數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)傾斜影像批量提取及貼紋理的方式進行三維實景建模[2]。SLAM移動測量技術(shù)也從室內(nèi)走向室外，可快速獲取高精度、高密度的點云數(shù)據(jù)，在點云數(shù)據(jù)[3]上進行高精度數(shù)據(jù)采集。兩種技術(shù)的融合更是為高精度地籍圖的生產(chǎn)提供了可能。

1 無人機傾斜航測技術(shù)和SLAM移動測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，傾斜攝影技術(shù)[4]三維數(shù)據(jù)可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性； 借助無人機，可快速采集影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化三維建模； 傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果，傳統(tǒng)航空攝影只能從垂直角度拍攝地物[5]，傾斜攝影則通過在同一平臺搭載多臺傳感器，同時從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像，有效彌補了傳統(tǒng)航空攝影的局限。

SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), 即時定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位。將一個激光掃描儀放入室內(nèi)、隧道等空間內(nèi)，讓激光掃描儀一邊移動一邊逐步描繪出此環(huán)境完全的地圖，所謂完全的地圖(a consistent map)是指不受障礙可進入的空間的每個角落。

SLAM三維激光掃描系統(tǒng)，最大的用途是可以進行實時移動式的測量，快速進行數(shù)據(jù)采集，其主要是依靠SLAM算法。SLAM三維激光掃描系統(tǒng)是由激光掃描儀( Laser Scanner)、慣性測量單元( Inertial Measurement Unit，簡稱IMU)[6]與SLAM算法( Simultaneous Ocalization and Mapping)三個主要要素組成。

SLAM算法是這三大主要要素中最重要的，SLAM算法的好壞決定了解算出的移動軌跡的精準度，移動軌跡的精準度決定了空間場景三維數(shù)據(jù)的精準度。SLAM算法根據(jù)激光測距儀[7]所獲得三維數(shù)據(jù)中時間軸上共同的特征點加上IMU獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)，進行實時解算設(shè)備從出發(fā)點移動的距離、角度信息，逆向的構(gòu)建連續(xù)的空間場景數(shù)據(jù)。即被動式依據(jù)當前周圍場景的數(shù)據(jù)實時計算出連續(xù)的空間數(shù)據(jù)。

手持式SLAM移動激光掃描系統(tǒng) GEOSLAM ZE3- REVO RT具備以下特點：

(1)移動測量

設(shè)備可適用于各種環(huán)境，尤其是復(fù)雜及封閉的空間，無需GNSS。靈活的接口和放置方式使得ZEB-REVO可以手持，安裝在無人機、機器人上，或安裝在桿上以探入孔洞。重量僅有1 kg，手持即可掃描多層空間，并基于最高P64的防護等級，設(shè)備可經(jīng)受嚴苛環(huán)境的考驗。

(2)智能高效

ZEB-REVO具備內(nèi)置MF模塊，智能手機或平板連接該設(shè)備FI，即可通過網(wǎng)頁進入控制界面，實時顯示掃描點云和軌跡，數(shù)據(jù)通過MF可直接下載，操作簡單快捷。只要幾分鐘培訓(xùn)，任何人都可以操作ZEB-REVO，測點速率高達43 000點/s，快速生成3DBIM。

(3)經(jīng)濟高效

傳統(tǒng)方式十倍的效率獲取并建模復(fù)雜環(huán)境數(shù)據(jù)，可以成功在最短時間內(nèi)完成項目，無需間斷。比傳統(tǒng)測量方式或靜態(tài)掃描儀更快的速度，大大節(jié)省測量時間。ZEB-REVO也是已有掃描硬件的強有力補充，相互結(jié)合，使作業(yè)更高效。

2 無人機傾斜航測技術(shù)和SLAM移動測量技術(shù)融合測制1：500地籍圖

2.1 數(shù)據(jù)獲取

該技術(shù)將無人機技術(shù)[8]與傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合，自主研發(fā)完成了一套微型無人機傾斜攝影系統(tǒng)，包括電動六旋翼無人機、多鏡頭傾斜相機、降落傘模塊、控制模塊等。

選用 AC1200 六旋翼無人機。該微型無人機經(jīng)行業(yè)權(quán)威專家組織鑒定達到國際先進水平。

使用微型地籍攝影平臺，適用于微型無人機進行綜合法地籍測量，影像分辨率最高可達1 cm。

攝影組進場后，根據(jù)申請的空域批文，向所屬空管單位提出飛行計劃申請。注意與空中管制單位溝通好作業(yè)飛行的航攝區(qū)域、航攝高度、航攝時間等要素。航線設(shè)計如圖1所示。

圖1 航線設(shè)計

航飛作業(yè) ：(1)像片重疊度:由于數(shù)碼相機完全實現(xiàn)定點曝光，綜合法地籍測量航向重疊度為 80%，旁向重疊度為 80%。

(2)航線彎曲度:航線彎曲度不大于 3%。

(3)航高保持：航高應(yīng)滿足以下要求：同一航線上相鄰像片的航高差不應(yīng)大于20 m，最大航高與最小航高之差不應(yīng)大于30 m；航攝分區(qū)內(nèi)實際航高與設(shè)計航高之差不應(yīng)大于50 m；當相對航高大于1 000 m時，其實際航高與設(shè)計航高之差不得大于設(shè)計航高的5%(100 m)。

(4)數(shù)據(jù)整理及質(zhì)量檢查：當天航飛結(jié)束后，作業(yè)人員應(yīng)在返回駐地后及時對數(shù)據(jù)進行備份整理并完成數(shù)據(jù)的初檢工作。

SLAM移動測量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)：偏遠地區(qū)的街道沒有GPS信號，手持ZEB-REVO邊走邊掃，快速采集街道輪廓，使用pointcab即可繪制出道路邊界線，如圖2所示。

圖2 繪制道路邊界線

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用傾斜影像制作三維真實場景前，需要利用傾斜數(shù)據(jù)處理軟件進行前期的數(shù)據(jù)處理，生成一些制作三維真實場景所需的中間產(chǎn)品。

主要步驟如下：

(1)控制場處理：創(chuàng)建工程、量測控制點、相機角度計算、結(jié)果發(fā)布。

(2)試驗場處理：創(chuàng)建工程、影像質(zhì)量檢查IQC、準確性質(zhì)量檢查AQC、處理質(zhì)量檢查PQC、正射糾正、成果檢查及分發(fā)、自動勻色及Mosaic、成果檢查及分發(fā)、為用戶添加image license并檢查等。

(3)數(shù)據(jù)分塊：傾斜攝區(qū)模型制作的計算任務(wù)量較大，為提高數(shù)據(jù)處理速度，處理過程中將攝區(qū)分割成N個模型小塊進行處理。

(4)根據(jù)航攝獲取的影像數(shù)據(jù)進行TIN制作和紋理映射，多結(jié)點并行處理，獲得三維模型成果，如圖3所示，可極大提高三維成果制作效率。

圖3 三維模型成果

(5)使用SLAM 桌面軟件自動SLAM算法處理。輸出標準的LAS的點云格式，可用于其他點云處理軟件。

(6)數(shù)據(jù)融合測制1：500地籍圖

將前期獲取的傾斜三維模型[9]和SLAM 獲取的點云導(dǎo)入同一個制圖平臺，融合兩種數(shù)據(jù)進行1：500地籍圖的采集。

①在傾斜模型上采集房屋的邊線和部分明顯的附屬設(shè)施邊線[10]，在點云數(shù)據(jù)上判斷不同附屬設(shè)施結(jié)構(gòu)的位置，根據(jù)點云密集情況進行繪制[11]。

②根據(jù)傾斜模型繪制獨立地物、道路、水系、植被等地物，如圖4所示。根據(jù)點云數(shù)據(jù)繪制陡坎、斜坡、等高線，高程注記點[12]等。

圖4 水系

③要素采集內(nèi)容包括居民地及設(shè)施、交通、水系、水塘、注記、植被、地貌等，施測內(nèi)容的選取與取舍按照 1:500地籍圖的要求執(zhí)行?；A(chǔ)控制點宜按坐標準確導(dǎo)入。

④要素采集的平面位置精度和高程精度應(yīng)符合規(guī)定要求。要素的幾何類型和空間拓撲關(guān)系應(yīng)正確。點狀要素采集定位點；線狀要素采集定位線， 且應(yīng)保持連通性，相交處形成結(jié)點，不應(yīng)自重疊、自相交；面狀要素采集外圍輪廓線，并閉合。有向點和有向線的方向應(yīng)正確。公共邊宜以主要要素為準采集一次，次要要素的公共邊拷貝生成。要素采集應(yīng)不移位、無錯漏。

⑤對于村鎮(zhèn)之間的道路、水系等地形地物，采用內(nèi)業(yè)三維測圖的方法施測。 道路的寬度宜大于 3 m，水系寬度宜大于 8 m。當相鄰城鎮(zhèn)村莊之間存在多條道路時，最多提取 2 條主要的道路。但居民點之間的連接、村莊出行的主要道路應(yīng)當提取。當線狀水系密度較大時，提取主要的水系。

⑥村莊范圍線測量，采取在 1：500 數(shù)字正射影像圖上按照居民點范圍向外擴大 30～50 m 的方式提取，并在調(diào)查期間進行修正。

⑦按測圖范圍采集的數(shù)據(jù)以標準圖幅范圍進行數(shù)據(jù)裁切。三維測圖數(shù)據(jù)應(yīng)先經(jīng)補測、檢查再提供調(diào)繪使用。

2.3 精度驗證

本項目采用掛載地籍測量相機進行傾斜航空攝影，獲取測區(qū)內(nèi)全區(qū)1.33 km2面積區(qū)域的數(shù)字航空攝影真彩色影像數(shù)據(jù)，提供最終成果數(shù)字線劃圖，如圖5所示。完全覆蓋整個測區(qū)。

圖5 數(shù)字線劃圖

外業(yè)檢查采用抽查方式，進行實地巡視，平面對定向點檢查無誤后，再測量房角、圍墻角、道路邊線等平面地物特征點，與線劃圖同名點進行比對，計算線劃圖中誤差，測區(qū)內(nèi)檢查線劃圖36處，其中桃源鎮(zhèn)檢查8處，實測檢查點135個，平面中誤差為0.090 m，小于限差0.15 m，龍溪村檢查28處，實測檢查點298個，平面中誤差為0.080 m，小于限差0.15 m，符合規(guī)范要求。

3 研究總結(jié)和展望

(1)融合多種先進技術(shù)，技術(shù)水平高

該項技術(shù)融合了無人機傾斜航測技術(shù)和SLAM移動測量技術(shù)，根據(jù)不同技術(shù)的優(yōu)缺點，實現(xiàn)了優(yōu)勢結(jié)合，大大提高了產(chǎn)品精度。先進的技術(shù)帶來了優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

(2)外業(yè)工作內(nèi)業(yè)化，降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率

該項技術(shù)實現(xiàn)了外業(yè)現(xiàn)場測量工作變成了無人機傾斜航測和SLAM移動掃描，大大減少了外業(yè)工作量，降低了勞動強度，把調(diào)繪的大部分工作轉(zhuǎn)為室內(nèi)進行，提高了工作效率，降低了成本。

(3)建立了新的地籍圖生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了地籍圖的快速制圖

融合無人機傾斜航測技術(shù)和SLAM移動測量技術(shù)是當前的研究熱點，也是測制大比例尺地形圖和地籍圖的關(guān)鍵技術(shù)，尤其隨著數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的不斷推進，對數(shù)據(jù)獲取和更新提出更高的要求，無人機傾斜航測技術(shù)和SLAM移動測量技術(shù)在這方面有著很大的優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景。