無人機(jī)航測技術(shù)在基礎(chǔ)地圖測繪中的應(yīng)用

黎廣 易志朝

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院 江西南昌330029）

1 引言

無人機(jī)攝影測量、遙感等新型技術(shù)在地理信息、災(zāi)害監(jiān)測、勘察測繪等相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。在工程測量中，開展地圖測繪工作時，利用無人機(jī)航測技術(shù)能克服傳統(tǒng)測繪中地形、天氣、人為等因素的影響[5]。降低測量誤差，提高測繪準(zhǔn)確率和工作效率，如在礦山、鐵路、山區(qū)等復(fù)雜地形中的應(yīng)用[6-8]。目前航空攝影技術(shù)在地圖測繪中的應(yīng)用逐漸深入，所以在實際項目開展過程中，需要測量人員具備專業(yè)的測量技術(shù)，對信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理，保障所獲取的數(shù)據(jù)能夠?qū)y區(qū)信息全部展現(xiàn)，降低環(huán)境因素對數(shù)據(jù)獲取過程產(chǎn)生的影響，確保技術(shù)應(yīng)用的合理性和科學(xué)性。本文以大崗山水庫工程項目為例，介紹了無人機(jī)航測的實現(xiàn)過程，對處理結(jié)果進(jìn)行了展示，并對測量精度進(jìn)行了評價。

2 項目簡介與航線設(shè)計

2.1 項目測區(qū)概況

大崗山水庫是一座以飲水為主的水利工程，位于袁河支流松山河中上游，地處分宜縣鈐山鎮(zhèn)礱里村。根據(jù)項目要求劃定測區(qū)范圍，測區(qū)面積約8km2，測區(qū)地勢較為平坦，主要地物有：居民地、公路、池塘、耕地和植被等，項目要求生產(chǎn)測區(qū)內(nèi)全要素的1：2000 地形圖，平面坐標(biāo)系為CGCS2000，高程系統(tǒng)為1985 國家高程基準(zhǔn)，測區(qū)范圍如圖1 所示。

2.2 航線設(shè)計

圖1 測區(qū)范圍示意圖

本項目載飛平臺為大黃蜂四旋翼無人機(jī)，是一款高檔無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，能自動初始化，自動飛航線，輕小便捷，飛機(jī)雷達(dá)一體設(shè)計，單架次續(xù)航時間長。采用華測導(dǎo)航的AS900HL 低空激光掃描測圖系統(tǒng)，是一款基于輕型無人機(jī)的記載LiDAR 系統(tǒng)，將激光掃描系統(tǒng)、相機(jī)系統(tǒng)、定向定位系統(tǒng)以及控制單元有效集成，整體發(fā)射頻率高達(dá)55 萬點(diǎn)/秒，330°的超高視場角，測距精度為10mm，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、應(yīng)急保障、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。為了使單張航拍圖覆蓋的范圍更寬，成像效果更好，提高航測工作效率，搭載索尼SonyA7R 相機(jī)，像幅為7360×4912 像素，像素點(diǎn)為4.88μm，CCD 大小為35.9×24 mm，焦距為35.77607mm。根據(jù)項目成圖要求及測區(qū)地形狀況，當(dāng)獲取影像數(shù)據(jù)時，將測區(qū)分成2 個航攝分區(qū)；當(dāng)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，將測區(qū)按照不同比例尺大小劃分為15 個小測區(qū)，每個測區(qū)一個架次，每個架次飛行時間約為1h。在各個測區(qū)內(nèi)，高差盡量控制在50m 內(nèi)，以保證測區(qū)內(nèi)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)都有點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體各個測區(qū)航攝因子見下表1。

表1 航設(shè)因子主要設(shè)計參數(shù)

3 點(diǎn)位布設(shè)與量測

本項目像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)均布設(shè)為平高點(diǎn)，共測量137 個點(diǎn)。像控點(diǎn)是航測控制加密和測圖的基礎(chǔ)，像控點(diǎn)選取的好壞和點(diǎn)位精度直接影響成果的精度，檢查像控點(diǎn)測量高程精度和平面精度均在0.1m以內(nèi)。每個區(qū)域像控點(diǎn)分布均勻，并保證像控點(diǎn)布設(shè)在航向及旁向六片或五片重疊范圍內(nèi)。像控點(diǎn)在測區(qū)內(nèi)的分布如下圖2 所示。

圖2 測區(qū)內(nèi)像控點(diǎn)分布示意圖

檢查點(diǎn)用于檢查點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)處理的平面精度和高程精度，檢查點(diǎn)布設(shè)原則上要均勻分布覆蓋測區(qū)，可選取地面易于區(qū)分的地面點(diǎn)，如路口、房角等，由于每個測區(qū)飛行的質(zhì)量導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的精度不同，不同的測區(qū)根據(jù)實際情況選點(diǎn)。根據(jù)規(guī)范像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)均可通過千尋信號采用GPS RTK 來進(jìn)行量測[9-10]，千尋位置服務(wù)能提供高達(dá)動態(tài)厘米級和靜態(tài)毫米級的定位精度，坐標(biāo)基準(zhǔn)為CGCS2000。在實際量測中，采用南方銀河1 智能RTK 測量系統(tǒng)，靜態(tài)標(biāo)稱精度為±(2.5mm+1mm/km×D)，D 為量測點(diǎn)距離。動態(tài)RTK 精度為±(8mm+1mm/km×D)，D 為量測點(diǎn)距離。每個點(diǎn)平滑采集3 次后取均值將量測的大地高程通過JXCORS 中心解算換算成1985 高程。

4 航攝數(shù)據(jù)采集與處理

選擇合適的天氣，在指定測區(qū)根據(jù)航線設(shè)計完成無人機(jī)航攝作業(yè)。航攝飛行結(jié)束后，對獲取的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)等航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查：

(1)檢查點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)覆蓋完整性，無數(shù)據(jù)漏洞、航帶遺失等情況；

(2)檢查點(diǎn)云密度、影像質(zhì)量等數(shù)據(jù)情況；

(3)導(dǎo)航數(shù)據(jù)檢查檢驗指標(biāo)：導(dǎo)航數(shù)據(jù)完整、正確，精度滿足規(guī)范要求。

4.1 POS 解算與檢查

導(dǎo)航數(shù)據(jù)利用PPK 技術(shù)進(jìn)行差分解算，獲取高精度的影響POS 數(shù)據(jù)，利用基準(zhǔn)站與流動站GPS 接收機(jī)在航飛時對衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測，得到虛擬的載波相位觀測值，確定流動站的相對位置，再由基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)，獲取影像的POS 數(shù)據(jù)。POS 數(shù)據(jù)檢查主要有無人機(jī)姿態(tài)曲線與POS 數(shù)據(jù)質(zhì)量，如下圖3、圖4所示，其中評估值（Q 值）為1。

圖3 航飛無人機(jī)姿態(tài)曲線圖

圖4 部分?jǐn)?shù)據(jù)的差分解算Q 值

4.2 空中三角測量

空中三角測量是數(shù)字?jǐn)z影測量生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵工序，是內(nèi)業(yè)處理的核心，本項目采用INPHO 軟件進(jìn)行空三加密工作。根據(jù)航攝實際情況劃分2 個區(qū)域，利用軟件全自動提取航帶內(nèi)和航帶間連接點(diǎn)，完成影像相對定向與模型連接，用自動提取的連接點(diǎn)，進(jìn)行像方自由網(wǎng)平差，當(dāng)影像標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位缺少連接點(diǎn)的影像以及模型連接較差的區(qū)域，采用手工添加連接點(diǎn)方式進(jìn)行連接。再用外業(yè)實測像控點(diǎn)進(jìn)行空三絕對定向工作，在測區(qū)內(nèi)添加控制點(diǎn)后，點(diǎn)擊軟件的平差工具進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，經(jīng)過多次平差計算、剔除或改正粗差點(diǎn)的點(diǎn)位等工作后，空三精度滿足項目要求。模型連接示意圖如下圖5 所示。

圖5 模型連接示意圖

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

本項目中激光雷達(dá)點(diǎn)云解算使用Copre 軟件，選擇好解算軌跡，設(shè)置好解算距離，對點(diǎn)云進(jìn)行解算。進(jìn)行點(diǎn)云分類前，準(zhǔn)備好實測檢查點(diǎn)信息與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，用Terrasolid 軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)由WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)至CGCS2000 坐標(biāo)系。在Terrasolid 中設(shè)置好噪聲點(diǎn)濾波參數(shù)和點(diǎn)云自動分類，將所有分類出的地面點(diǎn)建立TIN，對高程突變的區(qū)域，調(diào)整參數(shù)重新進(jìn)行小面積的自動分類。對自動分類不理想的區(qū)域，可結(jié)合正射影像采用人工手動拉取斷面的方法，進(jìn)行手動編輯分類。人工分類前后對比效果見圖6所示。

圖6 人工分類前后對比效果

4.4 數(shù)字正射影響DOM

利用空三加密后成果、畸變后影像和點(diǎn)云生成的DEM 數(shù)據(jù)，對數(shù)字航空影像進(jìn)行單片正射糾正；依次完成測區(qū)范圍內(nèi)所有航片的正射糾正，生產(chǎn)每張航片的正射影像數(shù)據(jù)。再對單片影像進(jìn)行鑲嵌與勻色，拼接時避免了拼接線出現(xiàn)在房屋、立交橋、陡坎等地形有高差的區(qū)域，保證了地物完整性，鑲嵌后的影像無明顯拼接痕跡，過渡自然，紋理清晰。拼接同時對整個測區(qū)影像進(jìn)行整體勻色，保證了區(qū)域整體影像色彩的平衡，亮度和對比度適中。最終DOM成果見圖7 所示。

圖7 DOM 成果示意圖

5 成果精度檢測

點(diǎn)云高程精度是利用外業(yè)實測檢查點(diǎn)進(jìn)行檢查，利用檢查點(diǎn)周邊一定范圍內(nèi)的機(jī)載LiDAR 地面點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，計算檢查點(diǎn)所在平面位置的點(diǎn)云高程值，然后以該內(nèi)插高程值與外業(yè)實測檢查點(diǎn)高程值進(jìn)行比較，計算出點(diǎn)云高程中誤差?？杖燃用茳c(diǎn)平面位置中誤差，點(diǎn)云高程中誤差按如下公式(1)進(jìn)行計算。

其中mj 為檢查點(diǎn)的中誤差，Δj為檢查點(diǎn)野外實測與量測值的差值，n 為檢查點(diǎn)總數(shù)。本項目共檢查137 個高程點(diǎn)，最大較差為0.296m，最小較差為0.05m，均誤差為0.039m，由公式得點(diǎn)云高程中誤差為0.092m，表2 表示部分檢查點(diǎn)的高程較差數(shù)據(jù)?？杖用茳c(diǎn)共校驗30 個點(diǎn)，由公式可計算得平面中誤差為0.017m，最小平面誤差為0.0517m，均方誤差為0.2167m，基本定向點(diǎn)殘差X 為0.052m，Y 為0.035m。表2 和表3 表示部分檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計表，其中數(shù)據(jù)的獲取、處理、計算結(jié)果以及精度評定符合規(guī)范以及設(shè)計要求[11]。

表2 檢查點(diǎn)高程較差統(tǒng)計表 單位（m）

表3 檢查點(diǎn)誤差統(tǒng)計表 單位(m)

6 結(jié)束語

本文通過新余大崗山水庫1：2000 地形圖航測的工程實踐，介紹了無人機(jī)航測技術(shù)的作業(yè)流程以及內(nèi)外業(yè)處理結(jié)果展示，結(jié)果表明，無人機(jī)航測技術(shù)不僅可以滿足相關(guān)規(guī)范和實際工程項目設(shè)計需求，能有效提高大比例尺測圖效率，大量節(jié)省人力成本，在水利工程行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，為測繪從業(yè)者提供相關(guān)建議和參考，提高生產(chǎn)效率。雖然無人機(jī)航測技術(shù)的優(yōu)勢明顯，能為工程項目的各個基礎(chǔ)建設(shè)工作提供高效的技術(shù)支持，但在實際應(yīng)用也存在諸多問題，無人機(jī)影像畸變大，姿態(tài)穩(wěn)定性差，高程精度較低，對植被豐富的區(qū)域，像控點(diǎn)工作量大等問題仍需進(jìn)一步深入研究和解決。