基于無人機(jī)與激光測距技術(shù)的農(nóng)田地形測繪

杜蒙蒙，劉穎超，姬江濤，金 鑫，周 浩，劉 可

（1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，洛陽 471003；2.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，洛陽 471003；3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

土地平整是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的重要技術(shù)措施之一，可顯著提高農(nóng)田灌溉效率，改善田間土壤鹽分與養(yǎng)分的空間分布狀況，減少病蟲草害的發(fā)生，增加作物產(chǎn)量[1-3]。而獲取高精度的農(nóng)田地形數(shù)據(jù)，并依此基礎(chǔ)設(shè)定適當(dāng)?shù)钠秸鼗鶞?zhǔn)高度與作業(yè)路徑，是提高平整地作業(yè)精度、降低平地鏟的超載率與空載率、提高平整地作業(yè)效率的重要技術(shù)手段[4-6]。目前，獲取農(nóng)田地形數(shù)據(jù)主要有 2種方法：一是接觸式測繪，即利用水準(zhǔn)儀、全站儀或高精度 GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）等工程測繪設(shè)備[7]，逐點(diǎn)測量數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)地面控制點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，經(jīng)空間插值生成農(nóng)田地形圖[8-11]。二是遙感測繪，即采用航空攝影、激光雷達(dá)成像等遙感技術(shù)獲取相應(yīng)的數(shù)字地形模型（DTM，Digital Terrain Model）或數(shù)字表面模型（DSM，Digital Surface Model）[12-14]。

接觸式地形測繪直接或間接與地表接觸，可以精準(zhǔn)獲取測量點(diǎn)的標(biāo)高數(shù)據(jù)，并通過三角網(wǎng)平差處理控制測量誤差[15]，但其地形圖精度受測量點(diǎn)數(shù)量與空間分布狀況的影響，測繪效率低、地理信息數(shù)據(jù)稀疏，多應(yīng)用于工程施工與河道監(jiān)測等小尺度測繪作業(yè)。例如，Ahmed使用全站儀的測量結(jié)果作為參考數(shù)據(jù)，在都市環(huán)境下對實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK，Real Time Kinematic）GPS設(shè)備的三維定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與精度評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明RTK-GPS數(shù)據(jù)在水平方向與豎直方向上分別具有2.14與2.79 cm的定位精度，滿足一般地形測繪精度要求[16]。基于航空攝影或激光雷達(dá)成像技術(shù)的遙感地形測繪具有覆蓋面積大、作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其地形圖的整體精度偏低，而且作業(yè)成本昂貴，多適用于大面積測繪且對高程精度要求較低的作業(yè)場合。例如，Sugiura等[17]利用直升機(jī)作為測繪平臺，搭載RTK-GPS設(shè)備、電子陀螺儀與激光雷達(dá)進(jìn)行牧場的地形測繪作業(yè)，獲取了最大高程誤差為9 cm的DTM地形圖。Tahar等[18]在固定翼無人機(jī)平臺上搭載商用數(shù)碼相機(jī)獲取航拍圖像，測量若干地面控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)之后完成航空圖像的拼接與地理配準(zhǔn)，并生成高程精度約為2 m的DTM地形圖。尹金寬等[19]設(shè)計(jì)了低空無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，基于航空攝影測量原理研發(fā)航拍影像的處理算法，獲取標(biāo)高誤差約20 cm的DTM數(shù)據(jù)。Yue等[20]利用無人機(jī)搭載高光譜相機(jī)獲取麥田的高光譜圖像與單色圖像，通過圖像拼接軟件輸出DSM。朱海斌等[21]利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對露天礦區(qū)進(jìn)行測繪，根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)對航拍圖像進(jìn)行了三維模型重建，進(jìn)而獲取10 cm高程誤差的DTM數(shù)據(jù)。綜上所述，接觸式地形測繪方法的作業(yè)效率低、覆蓋范圍??；而航空攝影地形測繪方法的高程精度差，而且對多幅圖像中的同名地物識別度有較高要求，不適用于地物單一的農(nóng)田地形環(huán)境。

為了滿足精準(zhǔn)平整地作業(yè)對厘米級高程精度的農(nóng)田地形圖需求，本文以測繪學(xué)、無人機(jī)遙感、激光測距（LiDAR，Light Detecting and Ranging）、后處理動(dòng)態(tài)差分GPS技術(shù)（PPK-GPS，Post-Processing Kinematic GPS）為基礎(chǔ)，基于六旋翼無人機(jī)平臺，設(shè)計(jì)一種基于激光測距技術(shù)的遙感式農(nóng)田地形測繪系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合輕量化PPK-GPS模塊的定位數(shù)據(jù)、無人機(jī)飛行控制器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及激光測距模塊的距離數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田地形數(shù)據(jù)的高效采集與處理，可為生成高精度的農(nóng)田數(shù)字地形圖提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

本研究采用北方天途 M6E六旋翼無人機(jī)作為負(fù)載平臺，激光測距模塊固定安裝在無人機(jī)底部，2個(gè)微型 GPS模塊分別用作移動(dòng)站及基站獲取PPK-GPS定位數(shù)據(jù)，其中GPS基站靜置在試驗(yàn)地塊外側(cè)，GPS移動(dòng)站安裝在無人機(jī)頂部。試驗(yàn)場地為位于河南省開封市的一處多年耕種熟地，前茬作物為玉米，地塊面積約為1.2 hm2。所用設(shè)備和裝置的具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備與參數(shù)Table 1 Experiment equipment and parameters

1.1 試驗(yàn)方法

首先，根據(jù)試驗(yàn)地塊的尺寸、形狀等特點(diǎn)，規(guī)劃無人機(jī)的飛行路徑。將GPS移動(dòng)站及激光測距模塊分別安裝在無人機(jī)機(jī)體的頂端與底部，GPS 模塊上電后將定位數(shù)據(jù)（10 Hz）存儲在主板內(nèi)存上，激光測距模塊經(jīng)串口通信將原始測距序列（測距頻率為2 000 Hz）存儲在機(jī)載電腦上。通過地面控制站將飛行路徑導(dǎo)入無人機(jī)的飛行控制器，無人機(jī)按預(yù)定路徑完成飛行任務(wù)。在無人機(jī)返回地面后分別獲取激光測距模塊的原始測距序列、GPS移動(dòng)站數(shù)據(jù)以及靜置在地面的GPS基站數(shù)據(jù)（10 Hz），同時(shí)從無人機(jī)的飛行控制器中提取飛行過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)（測量頻率為 10 Hz）。以 GPS基站數(shù)據(jù)為參照，利用后處理動(dòng)態(tài)差分方法修正GPS移動(dòng)站數(shù)據(jù)，獲取無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的PPK-GPS定位數(shù)據(jù) (xGi,yGi,hGi)，其中xGi,yGi,hGi分別為無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的經(jīng)度、維度和海拔高度。使用步長為 200的均值濾波器處理原始激光測距序列，獲取10 Hz的激光測距序列dLi，以提高激光測距的精度，同時(shí)完成激光測距序列與飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)及PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的頻率同步。從無人機(jī)飛行控制器中提取俯仰角與橫滾角姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)空間幾何關(guān)系校正激光測距序列dLi，消除無人機(jī)飛行過程中姿態(tài)變化對激光測距精度的影響，獲取校正后的激光測距序列dCLi。從PPK-GPS定位數(shù)據(jù) (xGi,yGi,hGi)中提取hGi分量，減去GPS移動(dòng)站的天線模塊與激光測距模塊的安裝高度差hfix以及校正后的激光測距序列dCLi，獲取地面測量點(diǎn)的海拔高度序列hi。使用hi替代PPK-GPS定位數(shù)據(jù) (xGi,yGi,hGi)中的hGi分量，獲取地面測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)(xGi,yGi,hi)。最后，利用手持PPK-GPS設(shè)備測量若干個(gè)與無人機(jī)航跡重合的地面測量點(diǎn)定位數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的測繪精度。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

試驗(yàn)區(qū)域位于河南省開封市（圖1），地塊尺寸約為150 m×80 m，前茬作物為玉米，休耕狀態(tài)，試驗(yàn)前清除地塊內(nèi)雜草，地面無顯著附著物。試驗(yàn)于2019年9月15日進(jìn)行，無人機(jī)飛行速度約為5 m/s，飛行高度約30 m，無人機(jī)航跡的旁向軌跡間隔約為30 m。剔除起飛、地頭轉(zhuǎn)彎、以及降落過程中的冗余數(shù)據(jù)，單次無人機(jī)飛行（3次往復(fù)）測繪作業(yè)共獲取 1 417組有效數(shù)據(jù)，地面測量點(diǎn)的空間分辨率約為30 m×0.5 m。使用手持PPK-GPS設(shè)備獲取22組檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并與無人機(jī)飛行航跡交點(diǎn)處的三維定位坐標(biāo)值比較，檢驗(yàn)無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的精度。采用WGS84大地坐標(biāo)系，并使用UTM投影系（Zone_50N）獲取經(jīng)度與緯度坐標(biāo)。

1.2.1 PPK-GPS數(shù)據(jù)獲取與處理

RTK（Real-Time Kinematic）- GPS設(shè)備內(nèi)嵌實(shí)時(shí)通訊模塊，體積及重量過大，多應(yīng)用于車輛導(dǎo)航或接觸式測繪作業(yè)，不適合搭載在多旋翼無人機(jī)上進(jìn)行測繪作業(yè)。另外，使用GPS模塊進(jìn)行地形測繪區(qū)別于GPS導(dǎo)航，前者對GPS基站與移動(dòng)站之間的實(shí)時(shí)通訊不作要求，可在測繪作業(yè)結(jié)束后采用后處理的方式對GPS移動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。本文采用如圖2所示的2個(gè)微型GPS模塊（具體參數(shù)如表1所述），其中一個(gè)GPS模塊作為基站靜置在試驗(yàn)地塊外側(cè)， 另一個(gè)GPS模塊作為移動(dòng)站安裝在無人機(jī)頂部。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域及地面測量點(diǎn)與精度檢驗(yàn)點(diǎn)的空間分布Fig.1 Study area and spatial distribution of ground measuring points and accuracy checking points

圖2 微型GPS模塊Fig.2 Micro GPS module

首先，使用算術(shù)平均法計(jì)算PPK-GPS數(shù)據(jù)處理算法的基準(zhǔn)位置坐標(biāo) (xr,yr,hr)，其中xr,yr,hr分別為基準(zhǔn)位置坐標(biāo)的經(jīng)度、緯度與海拔高度。將 GPS基站模塊靜置30 min，測得18 000組有效定位數(shù)據(jù)。根據(jù)公式（1）～（3）計(jì)算得到基準(zhǔn)位置坐標(biāo)為（114.950 334 47E，34.763 683 31N，63.754 m）。

式中l(wèi)oni、lati、alti分別為GPS基站模塊的有效經(jīng)度、緯度與海拔高度序列。

使用基準(zhǔn)位置坐標(biāo)為參照，修正GPS移動(dòng)站的定位數(shù)據(jù)序列。在RTKLIB開發(fā)環(huán)境下使用PPK開源算法處理GPS基站與移動(dòng)站的載波相位數(shù)據(jù)，求解無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的PPK-GPS定位數(shù)據(jù)序列 (xGi,yGi,hGi)。剔除起飛、地頭轉(zhuǎn)彎和降落過程中的冗余數(shù)據(jù)，共獲取1 417組有效定位數(shù)據(jù)，PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的海拔高度如圖3所示。

圖3 PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的海拔高度Fig.3 Altitudes of PPK-GPS positioning data

1.2.2 激光測距序列的獲取與處理

激光測距模塊固定安裝在無人機(jī)底部，豎直指向地面，采用ToF（Time of Flight）測距模式，有效測量距離為100 m，測距分辨率為1 mm、測距頻率為2 000 Hz。為了便于與無人機(jī)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)及PPK-GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，同時(shí)提高其測距精度，采用一維均值濾波算法處理激光測距原始序列，得到10 Hz的激光測距序列dLi。以無人機(jī)起飛離地瞬間的 PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的海拔高度及激光測距為參照，對PPK-GPS定位數(shù)據(jù)與激光測距值進(jìn)行時(shí)序同步。

由于多旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及固有的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在飛行過程中無人機(jī)的姿態(tài)不斷變化并在飛行控制器的作用下實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，對激光測距精度造成不可忽視的影響。根據(jù)公式（4）及圖4，使用飛行控制器的俯仰角與橫滾角對激光測距序列進(jìn)行修正。激光測距序列的高度修正結(jié)果如圖5所示。

式中dCLi為校正后的激光測距值序列（m），dLi為校正前的激光測距值序列（m），iθ為無人機(jī)平臺的實(shí)時(shí)俯仰角度值（rad），iφ為無人機(jī)平臺的實(shí)時(shí)橫滾角度值（rad）。

圖4 無人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)校正激光測距序列原理Fig.4 Principle of correcting Light Detecting and Ranging（LiDAR）sequence with UAV attitude data

圖5 校正后無人機(jī)系統(tǒng)與地面間的激光測距高度Fig.5 Corrected LiDAR altitude between UAV system and ground

最后，根據(jù)公式（5），計(jì)算地面測量點(diǎn)的海拔高度序列hi。用hi替代PPK-GPS定位數(shù)據(jù)序列 (xGi,yGi,hGi)中的hGi分量，獲取地面測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)序列(xGi,yGi,hGi)。

式中hi,hGi,hfix,dCLi分別為地面測量點(diǎn)的海拔高度（m）、PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的海拔高度（m）、GPS移動(dòng)站天線與激光測距模塊之間的安裝高度差（0.66 m）和校正后的激光測距序列（m）。

2 結(jié)果與分析

2.1 PPK-GPS定位精度與激光測距精度

為了驗(yàn)證PPK-GPS系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度，將GPS移動(dòng)站保持靜置狀態(tài)，連續(xù)提取10 min同時(shí)段內(nèi)的GPS移動(dòng)站與 GPS基站的有效定位數(shù)據(jù)，采用 1.2.1節(jié)所述的PPK算法，獲取6 000組PPK-GPS定位數(shù)據(jù)，其海拔高度分量如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)GPS移動(dòng)站保持靜置狀態(tài)時(shí)，PPK解算的海拔高度值在 64.350～64.380 m范圍內(nèi)浮動(dòng)，PPK-GPS的海拔定位精度約為 0.03 m（3 cm），與目前接觸式地形測繪中廣泛應(yīng)用的RTK-GPS定位精度相當(dāng)。因此，本研究使用的PPK-GPS模塊滿足地形測繪的定位精度要求。與單點(diǎn) GPS、差分 GPS或RTK-GPS的定位原理一致，其水平定位精度優(yōu)于豎直定位精度，本文不做贅述。

圖6 靜置狀態(tài)下GPS移動(dòng)站PPK定位數(shù)據(jù)的海拔高度波動(dòng)情況Fig.6 Altitude fluctuation of PPK positioning data of GPS mobile station in static state

同理，將激光測距儀水平靜置，指向距離約為25 m處的墻面，靜置10 min獲取6 000組有效激光測距序列，如圖7所示。靜置狀態(tài)下的激光測距序列在25.872～25.882 m之間浮動(dòng)，測距精度約為 0.01 m（1 cm）。因此，本研究使用的激光測距模塊具有穩(wěn)定且精確的測距精度。

圖7 靜置狀態(tài)下激光測距序列的波動(dòng)情況Fig.7 Fluctuation of LiDAR sequence in static state

2.2 農(nóng)田地形測繪精度

基于1 417組地面測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)軟件ArcMap環(huán)境下采用Jenks自然斷點(diǎn)分級法，生成試驗(yàn)地塊的地面海拔高度示意圖，如圖8所示。從圖中可看出，地面測量點(diǎn)的海拔高度在63.165～63.969 m之間（地形高差為0.804 m），平均海拔高度為63.497 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.148 m。此外，根據(jù)圖8可知，試驗(yàn)地塊的東南部分（右下方）大面積范圍內(nèi)具有均勻一致的地形趨勢；而西南部分（左下方）大面積范圍內(nèi)具有較大的地形起伏。

采用手持PPK-GPS設(shè)備在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)測得22組地面檢驗(yàn)點(diǎn)的三維定位數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的精度，檢驗(yàn)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)式（6）計(jì)算得到海拔高度的均方根誤差RMSE=0.052 m，表明無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)具有較高的地形測繪精度。

式中e測量點(diǎn)與e檢驗(yàn)點(diǎn)分別表示無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)獲取的地面測量點(diǎn)的海拔高度以及使用手持PPK-GPS設(shè)備獲取的檢驗(yàn)點(diǎn)的海拔高度，m。

圖8 無人機(jī)測繪系統(tǒng)獲取的試驗(yàn)地塊地形示意圖Fig.8 Schematic diagram of topographic map of test plot obtained by UAV mapping system

表2 測量點(diǎn)、插值點(diǎn)及檢驗(yàn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值Table 2 3D coordinates of measuring points, interpolating points and checking points

2.3 空間插值精度

本研究中，地面測量點(diǎn)的空間分辨率約為30 m×0.5 m。所獲得的1 417組地面測量點(diǎn)不能覆蓋試驗(yàn)地塊的全部區(qū)域。為了獲取空白區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，采用空間插值的方法將離散的地面測量點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的農(nóng)田地形圖[22]?？死锝穑↘riging）空間插值是典型的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法，基于區(qū)域性變量與最小二乘算法，依據(jù)已知數(shù)據(jù)的協(xié)方差函數(shù)對隨機(jī)過程進(jìn)行空間預(yù)測與建模，廣泛應(yīng)用于描述氣壓、海拔高度等連續(xù)性變化的指標(biāo)變量[23-24]。因此，本文采用克里金插值算法，基于無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的 1 417組地面測量點(diǎn)數(shù)據(jù)生成試驗(yàn)地塊的空間插值地形圖（圖像空間分辨率為0.2 m×0.2 m）?；贘enks自然斷點(diǎn)分級法，將試驗(yàn)地塊的克里金空間插值地形圖劃分為 3個(gè)等級，結(jié)果如圖9所示，該試驗(yàn)地塊的地面海拔高度在 63.198～63.797 m之間（地形高差為0.599 m），平均海拔63.498 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.107 m。通過空間插值地形圖可知試驗(yàn)地塊西部具有明顯的南北兩端地勢較高而中間部分地勢較低的特點(diǎn)，試驗(yàn)地塊東部同樣具有沿南北方向地勢起伏較大的顯著特點(diǎn)。在該試驗(yàn)地塊內(nèi)如果沿東西方向進(jìn)行平整地作業(yè)，在北部地勢較高的區(qū)域易出現(xiàn)平土鏟過載、拖拉機(jī)機(jī)組滑轉(zhuǎn)的狀況，而在西南部分地勢較低、明顯呈東西方向長條形狀的區(qū)域則易出現(xiàn)平土鏟長時(shí)間空載的狀況。因此，在該試驗(yàn)地塊內(nèi)部沿南北方向進(jìn)行平整地作業(yè)具有更高的效率和較好的平整效果，該空間插值地形圖為后期合理規(guī)劃平整地作業(yè)路徑提供參考。

圖9 試驗(yàn)地塊的克里金空間插值地形圖Fig.9 Topographic map of experimental field generated by using Kriging interpolation method

根據(jù)手持PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息，提取空間插值地形圖中相應(yīng)位置處的海拔高度，并根據(jù)公式（7）計(jì)算兩者間的均方根誤差RMSE插值= 0.087 m。將0.087 m的RMSE插值與空間插值地形圖中0.599 m的地形高差以及0.107 m的海拔高度標(biāo)準(zhǔn)差相比較，可知該空間插值地形圖具有較高精度。但是，RMSE插值略大于 RMSE，表明空間插值地形圖的標(biāo)高精度略低于無人機(jī)地形測繪系統(tǒng)的標(biāo)高精度，可通過增加地面測量點(diǎn)數(shù)量、改善地面測量點(diǎn)的空間分布等措施，進(jìn)一步提升空間插值地形圖的標(biāo)高精度。

式中e插值點(diǎn)與e檢驗(yàn)點(diǎn)分別表示空間插值地形圖中提取的海拔高度和相同點(diǎn)的手持PPK-GPS定位數(shù)據(jù)的海拔高度，m。

3 討 論

精準(zhǔn)平整地作業(yè)是一項(xiàng)多領(lǐng)域交叉的系統(tǒng)工程，其作業(yè)效果與農(nóng)田地形測繪精度密切相關(guān)。獲取精準(zhǔn)的農(nóng)田數(shù)字地形模型，并據(jù)之劃分合理的平整單元區(qū)、設(shè)定科學(xué)的平整地基準(zhǔn)面（坡面）、規(guī)劃高效的平整地作業(yè)路徑，是進(jìn)行精準(zhǔn)平整地作業(yè)的先決條件[25]。農(nóng)田地形數(shù)據(jù)缺失易造成平整地作業(yè)過程中平土鏟吃土深度過大造成超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或平地鏟空載時(shí)間過長造成效率低下等問題[26-27]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于無人機(jī)與激光測距技術(shù)的地形測繪方法具有較高的測繪精度。與文獻(xiàn)[17-19]相比較，本研究提出的無人機(jī)農(nóng)田地形測繪系統(tǒng)的地面測量點(diǎn)的標(biāo)高值測量精度分別提高3.3，195和14.3 cm。另外，本研究提出的無人機(jī)農(nóng)田地形測繪方法基于激光測距技術(shù)，區(qū)別于文獻(xiàn)[18-21]的基于航拍攝影技術(shù)的地形測繪方法，不受航拍圖像重疊度與同名地物識別能力等條件的限制，具備在地物單一的農(nóng)田環(huán)境下完成高精度地形測繪的作業(yè)能力。但是，受地面測量點(diǎn)空間分布狀況的限制，該地形測繪系統(tǒng)不適用于大面積地形測繪作業(yè)。未來計(jì)劃通過改變無人機(jī)的飛行航跡與飛行速度，優(yōu)化地面測量點(diǎn)的空間分辨率，進(jìn)一步提高空間插值地形圖的精度。

4 結(jié) 論

1) 本研究面向精準(zhǔn)平整地作業(yè)提出一種基于低空無人機(jī)與激光測距技術(shù)的農(nóng)田地形測繪方法，共獲取1 417組有效測繪數(shù)據(jù)，解決了人工測繪作業(yè)效率低下與基于航拍攝影技術(shù)的遙感式地形測繪精度差的問題。該農(nóng)田地形測繪方法融合無人機(jī)姿態(tài)信息、高精度GPS定位數(shù)據(jù)和激光測距數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)獲取試驗(yàn)地塊地面測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2) 農(nóng)田地形測繪精度的手持 PPK-GPS驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究提出的無人機(jī)農(nóng)田地形測繪系統(tǒng)具有較高的地形測繪精度，在地形高差為0.804 m的試驗(yàn)地塊可高效獲取標(biāo)高精度為0.052 m的地形數(shù)據(jù)，滿足精準(zhǔn)平整地作業(yè)需求。此外，采用克里金空間插值算法處理無人機(jī)測繪系統(tǒng)獲取的1 417組有效測繪數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的數(shù)字地形圖，為科學(xué)劃分平整地作業(yè)單元、規(guī)劃平整地機(jī)具作業(yè)路徑提供數(shù)據(jù)支持。

本研究開展了基于無人機(jī)與激光測距技術(shù)的遙感式地形測繪系統(tǒng)性能分析，為高效獲取精準(zhǔn)的農(nóng)田地形數(shù)據(jù)提供理論參考。后續(xù)可改善地面測量點(diǎn)的空間分辨率、提高空間插值地形圖的精度為目標(biāo)，通過優(yōu)化無人機(jī)的飛行航跡與飛行速度等作業(yè)參數(shù)、確定最優(yōu)空間插值算法等手段，進(jìn)一步深入研究面向精準(zhǔn)平整地作業(yè)的農(nóng)田地形建模方法。