小型無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地測(cè)繪中的應(yīng)用

潘莉

摘 要：隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)航拍已成為小區(qū)域地形測(cè)繪的主要手段。該文在闡述測(cè)繪儀器發(fā)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，并以大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)和ContextCapture軟件為例，梳理了小型多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行小區(qū)域航測(cè)生產(chǎn)正射影像圖工作的具體流程，為無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地測(cè)繪中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);攝影測(cè)量;土地測(cè)繪;應(yīng)用

中圖分類號(hào) P217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）13-0140-03

土地是地球表面某一地段包括地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、植被等多種自然要素在內(nèi)的自然綜合體，是人類社會(huì)得以存在和發(fā)展的基石。土地測(cè)繪就是對(duì)土地及其之上的附屬物進(jìn)行準(zhǔn)確空間定位的工作。無(wú)論是土地資源的調(diào)查與評(píng)價(jià)、國(guó)土空間規(guī)劃、各類用地監(jiān)測(cè)，還是土地生態(tài)修復(fù)，準(zhǔn)確獲取地塊的空間位置信息都是各項(xiàng)工作進(jìn)一步開展的前提。而各種土地利用規(guī)劃方案的落地實(shí)施也都需要使用測(cè)繪技術(shù)將圖紙上的規(guī)劃成果測(cè)設(shè)到實(shí)地。因此，土地測(cè)繪是進(jìn)行土地管理工作的重要技術(shù)手段。

1 測(cè)繪儀器的發(fā)展歷程

測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展史很大程度上是測(cè)繪儀器的發(fā)展史。測(cè)繪儀器直接關(guān)系到土地測(cè)繪成果的準(zhǔn)確性以及土地測(cè)繪工作的效率。由于技術(shù)落后，新中國(guó)建立后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，土地測(cè)繪實(shí)務(wù)中主要依賴羅盤儀、平板儀等測(cè)繪工具。這類設(shè)備在確定地面點(diǎn)空間坐標(biāo)，特別是測(cè)定平面坐標(biāo)時(shí)，地形相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大誤差，如當(dāng)時(shí)在大比例尺地形圖碎步測(cè)量中應(yīng)用較為廣泛的大平板儀。水平距離及高差則均用視距法測(cè)定[1]。而視距法最主要的誤差來(lái)源于視距尺的讀數(shù)誤差，該誤差又會(huì)被望遠(yuǎn)鏡的視距乘常數(shù)所放大，而高差又受到距離誤差的影響，因此碎步測(cè)量中點(diǎn)的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確性不高。另外，在施測(cè)過(guò)程中，需要3～4人合作，工作強(qiáng)度較大，效率低。20世紀(jì)80年代之后，光學(xué)經(jīng)緯儀逐漸成為測(cè)繪工作中的主要設(shè)備。經(jīng)緯儀在角度測(cè)定的準(zhǔn)確性上有了較大提升，但是在距離測(cè)量上還是保持著控制測(cè)量以鋼尺測(cè)距，碎步測(cè)量以視距法測(cè)距為主的模式。90年代后，隨著光電測(cè)距技術(shù)、光電測(cè)角技術(shù)以及微處理器技術(shù)的發(fā)展，全站儀逐漸替代光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀，成為測(cè)繪行業(yè)中的主流設(shè)備，并成為真正意義上的數(shù)字化測(cè)繪設(shè)備。但是由于其價(jià)格較高，全站儀進(jìn)入市場(chǎng)初期還與普通光學(xué)測(cè)繪設(shè)備協(xié)同作業(yè)[2]。隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，全站儀價(jià)格大幅下降，目前已成為測(cè)繪設(shè)備的常規(guī)設(shè)備。近年來(lái)，以全站儀為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的三維激光掃描儀，結(jié)合與之配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件、無(wú)控制點(diǎn)拼接技術(shù)、三維建模軟件以及車載移動(dòng)平臺(tái)等，也已經(jīng)在礦山測(cè)繪、地下工程測(cè)繪、古建筑測(cè)繪、數(shù)字城市建模等領(lǐng)域開始應(yīng)用[3-6]。

雖然全站儀可以進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖，但是與傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)繪儀器一樣，其測(cè)定的都是空間點(diǎn)的相對(duì)位置。另外，全站儀測(cè)繪仍然受到視線阻礙的影響。全站儀在進(jìn)行土地測(cè)繪時(shí)，雖然較平板儀、經(jīng)緯儀更加準(zhǔn)確，工作效率也有所提升，但是在進(jìn)行大面積土地測(cè)繪、復(fù)雜地形地物測(cè)繪時(shí)仍需多人協(xié)同，工作強(qiáng)度和工作效率仍有待提高。衛(wèi)星定位技術(shù)特別是差分技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備需要“通視”的屏障，還可以測(cè)定絕對(duì)坐標(biāo)，開啟了“單兵”測(cè)繪的數(shù)字化測(cè)繪模式，不僅極大降低了測(cè)繪工作強(qiáng)度，還有效提升了測(cè)繪工作效率。采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）靜態(tài)測(cè)量布設(shè)首級(jí)控制點(diǎn)，再利用GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）技術(shù)開展圖根控制測(cè)量，最后利用全站儀進(jìn)行碎步測(cè)量，可以獲得精度較高的測(cè)繪成果[7]。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）正在成為RTK測(cè)量的主流測(cè)量模式。目前在利用RTK進(jìn)行實(shí)際土地測(cè)繪中，最為常用的是由國(guó)家測(cè)繪部門組織建設(shè)的“全國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)”（俗稱省CORS）和千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司建設(shè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)“全國(guó)一張網(wǎng)”（俗稱千尋CORS）。其中千尋CORS以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為主體，兼容GPS、GLONASS、伽利略等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，可提供厘米級(jí)高精度定位服務(wù)，并且實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)劃、組網(wǎng)及跨區(qū)域無(wú)縫服務(wù)。利用以上CORS系統(tǒng)進(jìn)行土地測(cè)繪，可直接測(cè)量得到CGS2000坐標(biāo)成果，并且完全滿足1∶500大比例尺地形圖測(cè)繪的需要?，F(xiàn)階段，用全站儀和GNSS-RTK系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)繪已經(jīng)成為土地測(cè)繪中最主要的工作方式[8，9]。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

雖然以全站儀和GNSS為主流的數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于面積較大、地物分布密集的區(qū)域，全站儀結(jié)合GNSS-RTK聯(lián)合測(cè)繪的工作模式仍然存在一些問題：在地形測(cè)量時(shí)，測(cè)繪人員仍需測(cè)遍整個(gè)測(cè)區(qū)，有時(shí)難免會(huì)遺漏一些重要碎步點(diǎn);受通視條件制約，全站儀測(cè)繪時(shí)需要頻繁換測(cè)站;RTK測(cè)繪精度易受建筑、高大樹木、大面積水域及高壓線路的影響;人力、物力投入大，成本高，無(wú)法滿足各項(xiàng)土地測(cè)繪的整體性和時(shí)效性要求。而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)以其機(jī)動(dòng)性、低成本、高時(shí)效性等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)即受到測(cè)繪工作者的青睞。

我國(guó)無(wú)人機(jī)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，80年代中期轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域研發(fā)。2008年汶川地震發(fā)生后，無(wú)人機(jī)在搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中的出色表現(xiàn)促進(jìn)了民用專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的發(fā)展。2010年法國(guó)Parrot公司生產(chǎn)的Parrot AR.DRONE投入市場(chǎng)，標(biāo)志著消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的開啟。2013年深圳大疆創(chuàng)新科技公司發(fā)布“大疆精靈”多旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)掀起了無(wú)人機(jī)應(yīng)用的浪潮。在土地測(cè)繪工作中，最初只是借助無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行手動(dòng)拍攝重疊影像，缺乏定位系統(tǒng)，航拍系統(tǒng)缺乏整合性，空間位置精度不夠。隨后，大疆推出了精靈4 RTK無(wú)人機(jī)，新增了RTK導(dǎo)航定位系統(tǒng)、相機(jī)微秒級(jí)同步、APP航線規(guī)劃等功能，將厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)結(jié)合，提升了航測(cè)效率與精度，降低了作業(yè)難度和成本，徹底解決了之前固定翼無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)價(jià)格高、操作復(fù)雜、靈活性不足等問題，目前已經(jīng)在大比例尺地形圖測(cè)繪[10]、自然資源督察[11]、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、房地一體化測(cè)繪[12]、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)[13]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 小型旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)工作流程

在小型旋翼航測(cè)無(wú)人機(jī)中，大疆無(wú)人機(jī)因其操作方便、成本低廉，在小范圍土地測(cè)繪工作中被廣泛應(yīng)用。以大疆精靈4 RTK為例，在常用的RTK模式下獲取測(cè)區(qū)正射影像的工作流程如圖1所示。影像數(shù)據(jù)處理采用Bentley公司的ContextCapture軟件（簡(jiǎn)稱CC）。整個(gè)工作流程可分為航測(cè)準(zhǔn)備、航線規(guī)劃、相機(jī)參數(shù)設(shè)置、航拍作業(yè)和影像處理5個(gè)階段。

3.1 航測(cè)準(zhǔn)備 航測(cè)準(zhǔn)備是到達(dá)測(cè)區(qū)之前應(yīng)提前做好的前期準(zhǔn)備工作。其中飛行器準(zhǔn)備工作要求配備足夠數(shù)量的飛行電池。通常每塊大疆精靈4 RTK的電池正常飛行18～24min，而充電時(shí)間約為50min。具體每塊電池的工作時(shí)間不僅與測(cè)區(qū)面積和形狀、飛行高度、重疊率等有關(guān)，還與電池使用壽命及當(dāng)時(shí)氣溫有關(guān)。測(cè)繪人員可根據(jù)需要攜帶多塊電池和充電器，邊用邊充，以便航拍工作“無(wú)縫”連接，以提高作業(yè)效率。除此之外，還應(yīng)考慮遙控器電池的使用時(shí)間，最好預(yù)備1塊備用電池以便輪流充電使用。另外，測(cè)區(qū)范圍應(yīng)提前準(zhǔn)備，建議采用相關(guān)地圖軟件制作的測(cè)區(qū)地標(biāo)kml文件導(dǎo)入遙控器中使用，該方法比在遙控器界面中手繪測(cè)區(qū)范圍更精確。雖然大疆精靈4 RTK可以在免像控點(diǎn)的情況下進(jìn)行測(cè)圖，但控制點(diǎn)能有效提高飛行器航測(cè)成圖的精度。因此，合理布設(shè)像控點(diǎn)，準(zhǔn)確測(cè)定其坐標(biāo)是航測(cè)準(zhǔn)備階段的1個(gè)重要環(huán)節(jié)。

3.2 航線規(guī)劃 航線規(guī)劃首先要保證飛行器遙控器的網(wǎng)絡(luò)連通。通過(guò)遙控器上安裝有sim卡的4G網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，并用網(wǎng)絡(luò)RTK賬號(hào)正確登陸服務(wù)器，并確保RTK獲得固定解。如果只對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行正射影像數(shù)據(jù)采集，則可只采用攝影測(cè)量2D的航線規(guī)劃方式，以節(jié)省航拍時(shí)間。航線規(guī)劃中最重要的是要保證安全的飛行高度，注意測(cè)區(qū)內(nèi)的最高地物，飛行高度和返航高度要高于測(cè)區(qū)內(nèi)最高地物的髙度。

3.3 相機(jī)參數(shù)設(shè)置 相機(jī)參數(shù)設(shè)置主要是為了獲取清晰的航拍相片，通常按默認(rèn)設(shè)定。拍攝模式建議采用定時(shí)拍攝;拍攝完成后選擇自動(dòng)返航;云臺(tái)角度在拍攝正射影像時(shí)選擇-90°;為了提升建圖精度，建議關(guān)閉畸變修正功能。

3.4 航拍作業(yè) 大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)的航拍作業(yè)基本是自動(dòng)完成。當(dāng)飛行器電量降低到警戒值時(shí)，會(huì)發(fā)出提示。飛行器根據(jù)剩余電量和到已記錄的起飛點(diǎn)距離進(jìn)行智能判斷，并選擇合適時(shí)機(jī)返航，無(wú)需人工干涉。當(dāng)飛行器降落后，更換電池后可按照未完成的航線繼續(xù)拍攝。

3.5 影像處理 當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后，將飛行器上儲(chǔ)存卡中的航拍照片導(dǎo)入電腦中以備處理。流程中需要注意：相機(jī)參數(shù)信息保存在照片中，可以用記事本打開照片找到相關(guān)參數(shù);POS信息是每張照片的空間位置信息，其格式要規(guī)范，要與照片名稱一致;在影像上標(biāo)記控制點(diǎn)后進(jìn)行初次空三解算，可以得到控制點(diǎn)的大致位置，以便通過(guò)更多包含控制點(diǎn)的照片上精確標(biāo)記控制點(diǎn)，當(dāng)所有控制點(diǎn)標(biāo)記完成后進(jìn)行再次空三解算，以使得所有像控點(diǎn)都被準(zhǔn)確標(biāo)記;重建項(xiàng)目進(jìn)行影像拼接，在空間框架內(nèi)選擇正確的坐標(biāo)系，瓦片大小要適宜，需要調(diào)整瓦片大小，使得重建需要的內(nèi)存小于電腦內(nèi)存，充分考慮留給系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)存空間;如果之前設(shè)定的是構(gòu)建測(cè)區(qū)的三維模型，則在三維模型構(gòu)建成功后選擇生成測(cè)區(qū)的正射影像圖。如果只需要獲取測(cè)區(qū)正射影像，可以在工程中直接選擇生成正射影像圖。

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（責(zé)編：徐世紅）