RTK無人機在潮間帶地形測量中的應用

胡 勇，何旭濤，徐 輝，周 冰，王 黎

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江 舟山 316000）

潮間帶是指大潮期的最高潮位和大潮期的最低潮位間的海岸，也就是海水漲至最高時所淹沒的地方開始至潮水退到最低時露出水面的范圍。由于潮間帶處于陸地和海洋的銜換處，水深測量和陸地測量均無法完全覆蓋，因此會形成空白地帶[1]。作為海陸交互的區(qū)域，特別是人員無法實地測量的泥濘地帶和船只無法靠近淺灘，其地形的測量一直是測繪工作者的一大難題。

根據(jù)潮位時間與潮間帶實際地形情況，通常采用2 種測量方式：直換RTK 上灘測量和水下地形測量。在低潮位時，對于露出水面的高灘，人工上灘測量難度不大時，可利用RTK 技術直換上灘測量；在高潮位時，潮間帶深水區(qū)域可采用DGPS 結合單波束回聲測深儀進行水下地形測量。

由于漲潮落潮有時間限制，灘涂泥濘人員無法實地測量，因此需要一種新的測量方法來滿足特殊條件下潮間帶的測圖要求?；赗TK 技術的無人機具有免像控、響應迅速、機動性高、使用便捷、能在危險區(qū)域成圖等優(yōu)勢，能夠完全滿足特殊條件下潮間帶地形的測量工作。

1 RTK無人機免像控技術原理

RTK 無人機免像控技術是指利用具有RTK 技術的無人機進行航空攝影，以獲取高精度的POS 數(shù)據(jù)的一種方法。

POS 輔助空中三角測量的主要理論技術與方法是將相機曝光瞬間的空間位置和姿態(tài)角組成的POS 數(shù)據(jù)作為附加觀測值引入到區(qū)域網平差模型當中，利用空中控制替代地面控制，通過整體平差的方式，利用嚴密的平差模型和算法，解算出影像6 個外方位元素和地面點的空間坐標，最后對其精度進行評價[2]。提高曝光瞬間相機的外方位元素觀測精度不僅可以提高空三成果精度，還可以減少外業(yè)像控點的數(shù)量。一般情況下，實時差分數(shù)據(jù)的固定解精度可達到cm 級，因而將無人機航測和實時差分RTK 技術相結合能夠實時獲取曝光點的真實空間位置，使得無人機航測在大比例尺成圖中，無須地面像控點的情況下也能達到規(guī)范的精度要求，實現(xiàn)各種比例尺測圖的內外業(yè)完全數(shù)字自動化[3]。

傳統(tǒng)方式下，布設地面控制點占用大量的人工時間，碰到人員難以進入的區(qū)域，很難獲取高精度地圖數(shù)據(jù)。由于潮間帶寬闊的淺灘與淤泥地帶很難進行外業(yè)控制點的測量工作，利用RTK 無人機免像控技術可以解決潮間帶地形的測量難題。

2 無人機攝影測量數(shù)據(jù)采集與處理

無人機攝影測量數(shù)據(jù)采集與處理作業(yè)流程主要包括航線設計、數(shù)據(jù)采集和影像處理3 個步驟。具體作業(yè)流程圖如圖1 所示。

圖1 作業(yè)流程圖

在航線設計之前首先需要對現(xiàn)場進行踏勘，根據(jù)測圖范圍與無人機信號傳輸范圍選擇合適的無人機起飛降落場地，并選擇合適的天氣和合適的時間進行航飛作業(yè)。然后使用配套飛控軟件進行航線設計，根據(jù)測圖任務要求，在軟件中輸入地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等參數(shù)，軟件將自動生成航飛路線。無人機根據(jù)規(guī)劃好的航線進行航攝飛行，無人機起飛后將在自動完成計劃航線后返航，通過遙控器輔助無人機著陸。在無人機著陸后，檢查無人機采集的數(shù)據(jù)是否符合要求，如相片是否模糊、曝光是否準確、相片是否被云層遮擋等。采集數(shù)據(jù)滿足要求后，即完成數(shù)據(jù)采集工作。

影像處理主要對外業(yè)航飛的飛行相關記錄數(shù)據(jù)和航測影像數(shù)據(jù)進行處理，生成數(shù)字高程模型DEM、高密度三維點云和數(shù)字正射影像DOM 等產品，用于數(shù)字地形圖的制作。目前影像處理軟件主要包括Photoscan、Pix4Dmapper 等數(shù)據(jù)后處理軟件，它們能夠方便快捷地完成影像處理工作[4]。

影像數(shù)據(jù)處理流程（如圖2 所示）具體如下：以Photoscan 軟件為例，將相關數(shù)據(jù)導入到該軟件中，利用SIFT 算子提取每張相片中的特征點并獲取其相對應的Descriptor[5]。利用下載的POS 數(shù)據(jù)對像片進行對齊，利用RANSAC 算法對粗差進行剔除，消除誤匹配。利用GNSS RTK 數(shù)據(jù)圖根點坐標，通過共線方程計算出像點物方空間坐標，在逐次平差迭代的過程中，剔除粗差。再經過生成密集點云、生成格網、生成紋理等批處理步驟，最后得到點云數(shù)據(jù)、DOM 及正射影像等數(shù)字產品。利用這些數(shù)字化成品，可以使用EPS 或者Virtual Surveyor 等軟件進行裸眼立體三維采集，或者使用AutoCAD 描繪的方式將正射影像進行數(shù)字化，最終獲得符合規(guī)范要求的數(shù)字線劃圖。

圖2 影像數(shù)據(jù)處理流程圖

3 應用實例

大疆精靈Phantom 4 RTK 是一款小型航測無人機，內置實時差分RTK 功能，能夠獲取到高精度的POS 數(shù)據(jù)，其水平定位精度為1 cm+1 ppm（RMS）；垂直定位精度為1.5 cm+1 ppm（RMS）。為了研究RTK 無人機航測用于潮間帶地形測量的精度情況，本文從實際海底電纜工程項目出發(fā)，以射陽風電某潮間帶測區(qū)為例，對大疆精靈Phantom 4 RTK 拍攝的航片進行全自動空三加密，生成點云、正射影像圖與數(shù)字表面模型。同時，為了驗證無控制點的空三加密成果的點位精度，用無控生產的DLG 與實地采集的野外檢查點進行精度對比分析。

3.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于鹽城市射陽縣黃沙港鎮(zhèn)，測區(qū)面積約1.2 km2。整個測區(qū)位于潮間帶內，測區(qū)內地勢平緩，蘆葦密布，裸露地區(qū)為淤泥和淺灘（見圖3），測量船與人員均難以到達。

圖3 測區(qū)概況

3.2 無人機航空攝影

使用大疆控制器內置GS RTK APP 軟件設定航拍區(qū)域，規(guī)劃飛行路線，設置航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%，地面分辨率4.6 cm，相對航高為150 m。航飛前應選好無人機起落點位置，一般選在測區(qū)中間位置，離最遠距離不超過2 km，起落點要求地勢平坦無危險障礙物。航飛時應選擇合適時間窗口，應選在潮落時間前后，此時潮間帶淺灘部分完全露出。航飛前應注意風速對航飛的影響，通常選擇風速應不大于4 級。航飛時使用GS RTK APP 軟件實時監(jiān)控飛機的飛行狀態(tài)，例如電池電量、空中風速、GNSS 狀態(tài)、傳輸信號質量以及無人機的實時飛行姿態(tài)等。此次航飛共拍攝照片429 張（見圖4），實際航向重疊度為80.1%，航線間重疊度為65.2%。

大疆精靈Phantom 4 RTK 提供自架基站RTK 與網絡RTK 兩種模式，本工程使用千尋網絡RTK 為無人機提供實時RTK 數(shù)據(jù)。千尋網絡RTK 所提供平面坐標系統(tǒng)為WGS84 坐標系統(tǒng)，高程為大地高。使用Pix4Dmapper 軟件進行處理時，如果需要變換成其他坐標系，需要求解兩個坐標系之間的7 參數(shù)，將轉換后的POS 文件重新導入。

圖4 航拍照片縮圖

3.3 影像處理

本工程使用Pix4Dmapper 作為影像處理軟件，它是一款集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機航空像片處理軟件，在導入航片和經過坐標轉換處理的高精度POS 數(shù)據(jù)后，本地處理中勾選全面高精度處理，并選擇導出未畸變圖像選項，點擊開始就進入全自動運行模式。運行完成后軟件彈出質量報告。質量報告主要檢查區(qū)域網空三誤差（見圖5）、相機參數(shù)優(yōu)化質量等誤差報告。最后得到點云數(shù)據(jù)、DOM 及正射影像等數(shù)字產品（見圖6）。

圖5 相對定位精度情況

圖6 正射影像圖與數(shù)字表面模型（DSM）

3.4 野外實地測量

利用測區(qū)控制點使用RTK 方式對裸露的淺灘進行野外實地測量，共計獲取了10 個平面點和33 個高程點作為檢查對照點。

3.5 精度分析

大疆精靈Phantom 4 RTK 測量成果與人工實測數(shù)據(jù)對比成果如表1 所示。

通過表1 可以得出，兩種方案所測得的檢查點平面位置中誤差和高程中誤差均優(yōu)于《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》（GB/T7930—2008）的精度要求，即1∶500～1∶2 000 地形圖平面位置中誤差在平地、丘陵地不大于圖上0.6 mm；高程注記點中誤差在平地丘陵地不大于0.2 m，并且所有檢測點的誤差值均小于兩倍中誤差[6]。通過工程實踐表明，RTK 無人機免像控技術不僅完全滿足1∶500 大比例尺測圖的要求，并且具有操作簡單、可行性強及經濟效益高等特點。

4 結 語

通過本次潮間帶地形圖工程項目的實施，驗證了RTK 無人機免像控技術能夠獲取高精度的 POS 數(shù)據(jù)，在無控制點的條件下可用于測繪1∶500 大比例尺地形圖[7]。使用RTK 無人機免像控技術進行測量，其優(yōu)點具體體現(xiàn)在：

表1 無人機成果與人工實測成果對比表

1）測區(qū)適應能力強。對于人員、船只難以到達的潮間帶區(qū)域，采用RTK 無人機免像控技術測量可以不受限制。

2）測量精度高。理論和實際檢驗結果都表明，采用RTK 無人機免像控技術測量在無控制點的條件下完全滿足測繪1∶500 大比例尺地形圖的要求。

3）作業(yè)速度快，效率高，具有較高經濟效益。為獲取高精度測量成果，無人機在作業(yè)時應注意：1）需了解測區(qū)漲潮退潮時間，在測量窗口時間開始前做好無人機外業(yè)航飛準備。

2）大風、下雨、多云等天氣情況會制約無人機外業(yè)工作，對于小型無人機應選擇在風力較小時進行航飛作業(yè)。

3）由于無人機信號傳輸距離的限制，需對測區(qū)航線進行合理規(guī)劃，選擇合適的起降點。

4）無人機測圖能夠保證很高的平面精度，但有時候高程精度相對較低，在實際作業(yè)時需使用全站儀、GNSS-RTK 等方式進行外業(yè)檢測點實測，評定航飛作業(yè)精度。

5）影像處理需較高軟硬件配置，后處理時間較長，影像處理算法和軟件還有進一步提升的空間。