無人機(jī)航測用于紅衛(wèi)農(nóng)場1:1000高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)實踐

沈培培

摘要：當(dāng)前數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)，無人農(nóng)場技術(shù)，信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展，廣泛的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其中農(nóng)田數(shù)據(jù)的數(shù)字化是一項基礎(chǔ)工作。我們需要對原有地塊進(jìn)行改造，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，同時獲取高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的DLG數(shù)據(jù)，對農(nóng)田地圖的測繪，能夠有效掌握農(nóng)業(yè)成產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的地理信息。近年來我國的無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，在社會的方方面面得到了廣泛的應(yīng)用。由此出現(xiàn)了無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，具有成本低、操作簡單、影響因素小等優(yōu)勢，具有較好的發(fā)展前景。本文主要對無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在紅衛(wèi)農(nóng)場1：1000高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田DLG數(shù)據(jù)的生產(chǎn)進(jìn)行分析應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);航空攝影測量;高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田;DLG;應(yīng)用

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，是利用固定式或者多旋翼等無人機(jī)搭載航空攝影設(shè)備進(jìn)行低空航測的新型技術(shù)手段，具有響應(yīng)迅速、機(jī)動性高、使用便捷、受空域管制和天氣的影響較低，能夠適應(yīng)不同測區(qū)能力，是衛(wèi)星遙感和飛機(jī)航空攝影的有力補充[1]。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及民用化程度的不斷提高，無人機(jī)在高精度飛控技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合包含高精度定位技術(shù)、地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)在內(nèi)3S技術(shù)，同時運用信息技術(shù)，精準(zhǔn)圖傳技術(shù)等，能夠完成高精度的測量，在投入使用過程中受到一致認(rèn)可，同時也促進(jìn)了社會的進(jìn)步和發(fā)展。

1.任務(wù)區(qū)概述

本次任務(wù)區(qū)域位于黑龍江農(nóng)墾建三江管局紅衛(wèi)農(nóng)場場部西側(cè)1.5km無人農(nóng)場示范區(qū)，占地面積約3200畝，測區(qū)為紅衛(wèi)農(nóng)場的無人農(nóng)場示范區(qū)，主體包括水田、田埂、大棚區(qū)、道路等。測區(qū)位于建三江平原水稻種植區(qū)，地勢平坦，無高達(dá)建筑物，地表以路邊林帶、道路和農(nóng)作物為主。測區(qū)所處位置如下圖1中紅框所示：

2.軟硬件介紹

2.1航測無人機(jī)系統(tǒng)

本次航測使用大疆公司推出的一款小型多旋翼高精度航測無人機(jī)精靈 Phantom 4 RTK無人機(jī)進(jìn)行航測作業(yè)，飛機(jī)內(nèi)置高精度定位模塊，可通過網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)實現(xiàn)厘米級定位，無人機(jī)支持航線自主規(guī)劃，適用于低空攝影測量。無人機(jī)內(nèi)部搭載載高感光度相機(jī)，該相機(jī)最高像素為2 000 萬，像幅：5 472×3 648，像素大?。?.4 um，顯示設(shè)備：平板電腦，飛行控制APP：DJI GO 4和Pix4Dcapture。

2.2（二）影像處理軟件

常用于影像處理軟件包括 Infho、PhotoScan、Pix4D 等。本次作業(yè)選取 PIX4DMapper ，該款軟件是目前最流行的一款軟件，這款軟件可以通過計算機(jī)圖像識別原理來進(jìn)行空三加密，軟件操作簡單，人工干預(yù)少，還可以輸出 DOM 正射影像，DSM 數(shù)字表面模型等。

2.3（三）測圖軟件

本次作業(yè)使用ArcGIS9.2作為測圖軟件。

3.航測作業(yè)和數(shù)據(jù)處理

3.1航測作業(yè)

（1）像控點布設(shè)及測量

按照測區(qū)位置的實際情況，同時按照1：1000比例尺地形圖繪制的要求，并遵循下述像控點的布設(shè)原則進(jìn)行航測像控點的布設(shè)：

像控點的布設(shè)的選擇對象應(yīng)該具備特征明顯、外形尖銳的特征，內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行分析處理的時候可以提高其準(zhǔn)確度

像控點的大小不低于70厘米，同時需要在記錄時說明像控點相對于標(biāo)記物的位置

像控點在選擇的時候應(yīng)該盡量避免其他遮擋物如房子、樹木的遮擋

像控點做標(biāo)記的時候應(yīng)該選用不易被損壞的方式進(jìn)行，比如油漆等

像控點的標(biāo)志物應(yīng)該與周邊環(huán)境的對比度要高，方便快速識別標(biāo)記物

設(shè)置好像控點并拍攝多角度標(biāo)志物照片

根據(jù)以上原則，測區(qū)內(nèi)地物類型簡單，且道路規(guī)則，所以將像控點布置在兩條近似垂直交叉的道路上，使用白色油性噴漆在印象明晰的地物點上進(jìn)行噴繪。

測量方式采用 GNSS RTK 測量模式，測量時使用對中桿附帶高精度RTK接收機(jī)，確保對烘干氣泡居中定，確認(rèn)好所測像控點方位以及對應(yīng)點號，并進(jìn)行記錄。像控點測量結(jié)果以下表格1所示：

（2）航線規(guī)劃

使用航線規(guī)劃軟件 Pix4Dcapture進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)置。根據(jù)此次飛行任務(wù)的要求，航線規(guī)劃要針對任務(wù)性質(zhì)和任務(wù)面積，綜合考慮天氣和地形等因素，規(guī)劃如何實現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)基于安全飛行條件下的任務(wù)范圍最大覆蓋[2]。在紅衛(wèi)農(nóng)場高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田作業(yè)區(qū)，面積3200畝，經(jīng)規(guī)劃航線可以在一次飛行任務(wù)中覆蓋整個區(qū)域，同時也保證了在飛行的過程中像控點不會遺漏。

（3）航攝作業(yè)

完成作業(yè)規(guī)劃，需要設(shè)置此次的飛行參數(shù)，此次飛行作業(yè)需滿足數(shù)字正射影像的采集要求，因此設(shè)置飛行高度200米，設(shè)置航向重疊度80%，設(shè)置旁向重疊度為65%。

具體飛行過程如下：

起飛：通過軟件將飛行計劃下發(fā)給作業(yè)無人機(jī)，無人機(jī)從起飛點起飛，上升至作業(yè)高度。

航線飛行：無人機(jī)到達(dá)作業(yè)起點位置和高度后，按照規(guī)劃的航線進(jìn)行飛行，按照規(guī)劃的航向重疊度和旁向重疊度進(jìn)行航片的拍攝作業(yè)。

回收：無人機(jī)完成航測作業(yè)后返回起始點。

航攝質(zhì)量檢查：現(xiàn)場飛機(jī)飛完規(guī)劃路徑作業(yè)后，將結(jié)果導(dǎo)出后對飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時查驗。檢查此次任務(wù)中所拍攝的照片數(shù)量是否滿足航線規(guī)劃的要求;檢查照片的拍攝效果，檢查是否漏掉像控點，檢查測區(qū)是否飛行完成。如果存在質(zhì)量問題，要進(jìn)行重飛或補飛，如果質(zhì)量合格則外業(yè)航攝結(jié)束[3]。

3.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

整理飛行的航測數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、像控點坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，使用Pix4Dmapper進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理流程如下文所述：

（1）建立工程并導(dǎo)入數(shù)據(jù)。打開pix4dmapper選擇項目—新建項目，項目建設(shè)完成后導(dǎo)入原始航片和POS數(shù)據(jù);

（2）設(shè)置圖像屬性。

圖像坐標(biāo)系：設(shè)置POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，選擇WGS-84坐標(biāo)系

地理定位和方向：設(shè)置POS數(shù)據(jù)，從文件中選擇POS數(shù)據(jù)

設(shè)置相機(jī)型號：設(shè)置相機(jī)文件，從相機(jī)庫里選擇符合的相機(jī)文件。

（3）加入控制點。

（4）進(jìn)行圖像處理操作，使用選全面高精度處理模式并進(jìn)行自動處理。

運行完成后進(jìn)行檢查，檢查區(qū)域內(nèi)空三校正誤差，相機(jī)參數(shù)優(yōu)化的質(zhì)量以及控制點的殘差質(zhì)。下圖為根據(jù)測區(qū)航測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后生成的DOM數(shù)據(jù)。

將DOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件中進(jìn)行地理配準(zhǔn)和矢量化。

（1）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcgis，導(dǎo)入的時候?qū)ζ溥M(jìn)行投影的定義，使用Arcbox-數(shù)據(jù)管理工具-投影變化-定義投影，對導(dǎo)入的測區(qū)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)投影，定義坐標(biāo)系為GCS_WGS_1984。

（2）打開地理配準(zhǔn)工具條，和準(zhǔn)備好的控制點文本文件。

（3）使用地理配準(zhǔn)工具對測區(qū)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地理配準(zhǔn)。找到影像中的拍攝到的5個控制點的標(biāo)記，依次選擇控制點，在右擊彈出的輸入框中獎對應(yīng)控制點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)導(dǎo)入。一共5個控制點，進(jìn)行逐一導(dǎo)入，其中X對應(yīng)緯度坐標(biāo)，Y對應(yīng)精度坐標(biāo)。

（4）輸入完成后使用地理配準(zhǔn)工具進(jìn)行校正操作，并將校正的結(jié)果導(dǎo)出為TIF格式，關(guān)閉原始的測區(qū)影像數(shù)據(jù)，并在ARCMap中打開校正過的影像。

（5）使用編輯工具條完成對影像的主要地物建筑物、田塊、道路、水體等進(jìn)行矢量化。

地形圖要素的分類與代碼主要是依據(jù)《1：500、1：1000、1：2000地形圖要素分類與代碼》（GB/T1804-93）的基本要求對其進(jìn)行了分層處理和繪制。圖式主要是采用《1：500、1：1000、1：2000地形圖圖式》（GB/T7929-1995）。

3.3精度分析

本項目全測區(qū)共3200畝，在測區(qū)內(nèi)選取 10個具有明顯特征的檢核點，使用高精度定位北斗/GNSS接收機(jī)采集檢核點的坐標(biāo)，同時確保差分基準(zhǔn)站與無人機(jī)航測采用的基準(zhǔn)站處于同一個坐標(biāo)系下，根據(jù)采集的坐標(biāo)與影像上對應(yīng)點的量測取坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，進(jìn)行精度評定。經(jīng)過計算本次航測的平面精度點位 中 誤 差 為 0.028，滿 足《GB/T 7930- 2008 1 ：500 1：1000 1 ：2000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求。

4.結(jié)論

此次在黑龍江農(nóng)墾建三江管局紅衛(wèi)農(nóng)場無人農(nóng)場核心示范區(qū)，通過無人機(jī)航空攝影測量制作1：1000高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田DLG數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度達(dá)到規(guī)范要求，數(shù)據(jù)成果應(yīng)用于該農(nóng)場數(shù)字化無人農(nóng)場建設(shè)中。無人機(jī)測量平臺具有作業(yè)靈活，操作簡單的優(yōu)點，在測繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其中多旋翼無人機(jī)在小面積測圖的應(yīng)用中更具有優(yōu)勢。隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及測量設(shè)備的進(jìn)步，相信今后會得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張建霞，王留召，蔣金豹.基于數(shù)字影像的低空攝影測量研究[J].測繪通報，2008（12）：29—31.

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[3]成李博，段平，李佳，姚永祥，李晨，王云川.基于無人機(jī)航攝影像的數(shù)字線劃圖生成方法[J].全球定位系統(tǒng)，2019，44（06）：86-91.

作者簡介：出生年月：1989年9月、性別：男、籍貫：河南省南陽市鎮(zhèn)平縣、學(xué)歷：本科、職稱：無、單位：上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司、單位郵編：201799、研究方向：高精度導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，包括農(nóng)機(jī)自動駕駛、無人駕駛等

上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 上海 201799