無人機POS高程精化在城市1∶500免像控測圖中的應用

鐘青，趙茹玥，劉傳逢，魏逸飛，吳嵩，張云霞

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

無人機航測具有機動靈活、快速高效、精細準確、操作簡單、生產(chǎn)效率高等特點，在小地塊和密集建筑地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。可廣泛用于工程測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測和應急救災測繪數(shù)據(jù)獲取等多個領域[1]。無人機獲取的影像數(shù)據(jù)，可快速進行二維、三維重建工作，完成數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)及三維模型制作，基于三維模型裸眼測圖技術進行1∶500數(shù)字線劃圖生產(chǎn)。

搭載實時RTK定位的無人機獲取的正射影像具有高精度POS數(shù)據(jù)，采用免像控技術可快速進行三維模型重建，基于三維模型可以完成1∶500數(shù)字測圖工作。但受限于GPS高程異常影響，三維建模高程精度難以達到規(guī)范要求。

為了解決上述問題，本文以DJI P4R無人機為例，選取城市密集建筑區(qū)域進行實地試驗，規(guī)劃正射影像獲取影像數(shù)據(jù)，通過似大地水準面模型對POS數(shù)據(jù)進行高程精化，采用DJI Terra軟件進行三維模型重建[2]。結合地面控制點對三維模型進行精度評價，分析驗證無人機 1∶500在城市密集建筑區(qū)測圖的可行性與可靠性。

2 DJI P4R無人機系統(tǒng)簡介

DJI P4R為多旋翼無人機，如圖1所示。將大疆先進的飛控技術與厘米級導航定位系統(tǒng)、高精度成像系統(tǒng)相結合，TimeSync系統(tǒng)、飛控、相機與RTK時鐘系統(tǒng)實現(xiàn)微秒級同步，相機成像時刻毫秒級誤差，可以獲取精準的POS數(shù)據(jù)。多旋翼無人機起飛靈活，空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定，可調(diào)整云臺角度，適合高精度航空攝影測量[3]。無人機技術參數(shù)如表1所示。

圖1 DJI P4R無人機

DJI P4R無人機技術參數(shù) 表1

3 無人航測作業(yè)方法

無人機航空攝影測量主要包括技術準備，航線規(guī)劃，外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)[4]，基本流程圖如圖2所示。

圖2 無人航測作業(yè)的基本流程

4 項目試驗

4.1 試驗目的

通過實地試驗，實踐完成DJI P4R無人機航測作業(yè)的整個流程，根據(jù)無人機實驗數(shù)據(jù)結果，分析設備免像控技術生成三維模型的整體精度，判定DJI P4R無人機作業(yè)能否滿足在城市密集高建筑區(qū)生產(chǎn)1∶500比例尺地形圖的精度要求。

4.2 測區(qū)概況

本次試驗區(qū)位于武漢市青山區(qū)和平大道，為城市繁華鬧市區(qū)，人車流量大，街道兩側多層建筑物密集，整個測區(qū)長約 5 000 m，寬約 200 m。根據(jù)測區(qū)范圍設計 200 m帶狀區(qū)域飛行，飛行空域不涵蓋禁飛區(qū)，實際航測范圍如圖3所示。

圖3 航測范圍示意圖

本次航測成果平面基準采用武漢2000坐標系(基于CGCS2000坐標系統(tǒng)的武漢市獨立坐標系)，高程基準采用1985國家高程基準。

4.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

按照航測規(guī)范要求，在DJI P4R遙控器中導入測區(qū)KML格式范圍線，進行航線規(guī)劃和飛行參數(shù)設置，根據(jù)測區(qū)長度和地面建筑高度變化情況，將測區(qū)分割為4個航帶范圍分區(qū)作業(yè)，平行道路方向規(guī)劃正射航線。

在測區(qū)內(nèi)均勻布設12個地面控制點，利用WHCORS-RTK方法采集目標坐標系控制點三維坐標，作為三維模型精度檢查點。

采用定時拍照模式，飛行過程中，實時觀察遙控器圖傳畫面，當飛行器抵近高層建筑時，手動操作遙控器后退搖桿，降低飛行速度，增加拍照數(shù)量，以提高建筑區(qū)航向重疊度，提高三維模型精度。

本次項目航線設計主要參數(shù)如下：

(1)相對航高：100 m～150 m

(2)地面分辨率：2.74 cm～4.11 cm

(3)航向重疊度：80%

(4)旁向重疊度：75%

(5)飛行速度：7.9 m/s

(6)拍照模式：定時拍攝

(7)坐標系統(tǒng)：CGCS2000

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

本次航測外業(yè)完成4個飛行架次，共獲取854張正射航片，所有POS數(shù)據(jù)均為固定解。

由于無人機外業(yè)采集的坐標為CGCS2000坐標系統(tǒng)下的大地坐標B、L，大地高H，建模之前需要將坐標成果轉換為WH2000坐標系下的高斯平面直角坐標x、y和正常高h。

利用DJI Terra軟件導入所有照片，導出POS數(shù)據(jù)，利用武漢市似大地水準面精化應用程序進行高程異常改正，如圖4所示，將大地高H轉換到1985國家高程基準下的正常高h，修改POS數(shù)據(jù)中的高程值，重新導入至建模軟件。

圖4 似大地水準面精化

似大地水準面精化計算公式為：

h正常高=H大地高-ξ

建立高斯投影地方坐標系PRJ文件，導入DJI Terra軟件，將建模成果投影到WH2000坐標系[5]。

采用免像控方案，基于高程精化改正后的POS數(shù)據(jù)進行空三加密及三維建模工作。在建模軟件中導入地面像控點完成影像判讀、刺點工作。所有控制點均設置為檢查點，不參與空三約束平差，僅用作精度分析[6]。

5 精度分析

本項目以坐標轉換后的POS數(shù)據(jù)進行絕對定向完成三維重建，地面檢查點來驗證三維模型的精度；檢查點的坐標為(xi，yi，hi)，采用均方根(RMSE)分別計算水平分量中誤差dx，dy，高程中誤差dh。

精度較差計算公式為：

中誤差計算公式為：

根據(jù)公式，結合三維模型和對應點檢查點坐標值，計算得到地面檢查點精度，如表2、表3所示。水平分量中誤差dx為 0.027 m，dy為 0.022 m，高程中誤差dh為 0.065 m。其精度優(yōu)于 1∶500比例尺地形測圖要求。

地面檢查點精度比較 表2

檢查點均方根誤差 表3

6 結 語

本文以DJI P4R無人機為平臺進行1∶500大比例尺測圖的精度分析，選取城市密集高樓建筑區(qū)進行航測試驗。規(guī)劃任務航線，完成正射影像采集，獲取航測照片及高精度POS數(shù)據(jù)，影像分辨率優(yōu)于 5 cm。

利用武漢市似大地水準面精化程序進行POS數(shù)據(jù)高程異常改正(大地高-正常高)；制作坐標轉換PRJ文件(CGCS2000-WH2000)，進行高斯投影變換；基于POS輔助空三的免像控技術進行三維建模；利用WHCORS-RTK方法采集地面控制點作為像控點，進行三維模型精度分析，經(jīng)計算，平面和高程中誤差均可滿足《城市測量規(guī)范》1∶500數(shù)字線劃圖要求。

因此，通過有效的航線規(guī)劃和POS數(shù)據(jù)高程精化處理，DJI P4R無人機能滿足生產(chǎn)1∶500比例尺地形圖的精度要求，從而提高無人機航測作業(yè)效率。