基于大疆精靈4 RTK的快速測繪方法研究

秦家鑫，鄧明軍

（1.天津市測繪院有限公司，天津 300381；2.湘潭大學(xué) 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

2020年春節(jié)后新冠肺炎疫情形勢仍然嚴(yán)峻，部分企業(yè)大門緊閉，仍未復(fù)工復(fù)產(chǎn)，一些鄉(xiāng)村、小區(qū)延續(xù)著交通管制、隔離管理的控制措施。在這種情況下，測量人員像往常一樣進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地測量就會(huì)遇到一定的阻礙，但一些關(guān)系到民生發(fā)展的測繪生產(chǎn)項(xiàng)目必須穩(wěn)步推進(jìn)。一方面是嚴(yán)格的管控措施，另一方面是需要按時(shí)完成的測繪生產(chǎn)任務(wù)，如何能在減少人員接觸、減少實(shí)地測量的情況下，快速精確地完成測繪成果，成為測繪人員所面臨的難題[1]。鑒于此，結(jié)合消費(fèi)級(jí)無人機(jī)航空攝影測量的工作特點(diǎn)，本文提出了多內(nèi)業(yè)、少外業(yè)的技術(shù)路線，單人即可完成整個(gè)流程。該方法有效減少了人與人的密切接觸，且不受地域封閉的限制，已在地形圖測繪[2]、規(guī)劃竣工測量[3]、地籍測量[4]、三維建模[5]、土方量計(jì)算[6]等基礎(chǔ)測繪中得到有效應(yīng)用。

1 基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)手段

基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品以4D產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG、DRG）為基礎(chǔ)，應(yīng)用于各種測繪任務(wù)工作中?，F(xiàn)階段，我國城市基礎(chǔ)測繪的工作手段大多依托3S技術(shù)，首先利用全站儀、GPS接收機(jī)、水準(zhǔn)儀、測距儀、探測儀等測繪儀器完成外業(yè)測量，然后根據(jù)外業(yè)測量數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上利用相關(guān)成圖軟件進(jìn)行編輯處理，最后生成測繪成果[7]。該方法的作業(yè)時(shí)間更多地集中在外業(yè)實(shí)地測量上，以3～5人小組的形式協(xié)同完成測量。然而，在疫情形勢嚴(yán)峻的情況下，無法避免人與人的密切接觸，當(dāng)遇到測區(qū)實(shí)施隔離管控時(shí)，測量工作只能中斷。

2 基于大疆精靈4 RTK的基礎(chǔ)測繪方法

2.1 大疆精靈4 RTK的技術(shù)優(yōu)勢

大疆精靈4 RTK是一款消費(fèi)級(jí)多旋翼高精度航測無人機(jī)。其優(yōu)勢主要為：①搭載多頻多系統(tǒng)RTK模塊，相機(jī)與RTK模塊μs級(jí)時(shí)間同步，提供實(shí)時(shí)cm級(jí)定位數(shù)據(jù)，無需布設(shè)像控點(diǎn)；②在100 m飛行高度下的地面采樣距離可達(dá)2.74 cm，以確保高精度成像，畸變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于每張相片的元數(shù)據(jù)中，方便后期處理；③內(nèi)置航線規(guī)劃功能，簡化了飛行過程中的操作，實(shí)現(xiàn)了自主飛行，對(duì)飛手的要求很低；④小巧輕便、易于攜帶，單人即可完成全部外業(yè)飛行任務(wù)?？傊?，經(jīng)過短期培訓(xùn)，一名 普通的外業(yè)測繪人員即可獨(dú)立完成無人機(jī)的飛行任務(wù)。

2.2 技術(shù)路線

目前，市面上的無人機(jī)影像后處理軟件各種各樣，技術(shù)也相對(duì)成熟。本文選用的影像后處理軟件為Pix4Dmapper和Context Capture。這兩款軟件自動(dòng)化程度高、操作簡便、處理效果佳。利用大疆精靈4 RTK進(jìn)行基礎(chǔ)測繪的技術(shù)路線如圖1所示，首先根據(jù)項(xiàng)目需要，對(duì)測區(qū)進(jìn)行垂直攝影或傾斜攝影測量；再采用Pix4Dmapper處理垂直攝影相片，得到DSM、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后采用Context Capture處理傾斜攝影相片，得到三維模型；最后基于三維模型和DOM，通過立體測圖的方法，利用清華山維EPS軟件完成DLG的生產(chǎn)[8-13]。除此之外，DSM和點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可用于土方量的計(jì)算；DOM可為質(zhì)檢提供依據(jù)；在修補(bǔ)測過往地形圖時(shí)，將地形圖與DOM疊加，可直觀獲取需要修補(bǔ)測的區(qū)域等。

圖1 技術(shù)路線圖

2.3 影像獲取

在測區(qū)內(nèi)或測區(qū)外不遠(yuǎn)處選擇一個(gè)視野開闊、無強(qiáng)磁強(qiáng)電、無信號(hào)干擾的位置作為起降點(diǎn)；一般在遠(yuǎn)離車流人群、RTK可獲得固定解的平坦位置即可。大疆提供了攝影測量2D、攝影測量3D（井字飛行）、攝影測量3D（五向飛向）、航點(diǎn)飛行、航帶飛行和仿地飛行6種航線規(guī)劃方式。根據(jù)需要制定飛行計(jì)劃，通過垂直攝影測量生產(chǎn)DSM、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，選擇攝影測量2D方式；通過傾斜攝影測量生產(chǎn)三維模型時(shí)，選擇攝影測量3D（井字飛行或五向飛行）方式，其中井字飛行適用于大區(qū)域、高航高、低分辨率的任務(wù)，五向飛行適用于小區(qū)域、低航高、高分辨率的任務(wù)。設(shè)置完成飛行區(qū)域、飛行高度、飛行速度、重疊度、拍攝傾角等信息后，即可完成自動(dòng)起飛、自動(dòng)拍攝、自動(dòng)返航降落。

2.4 影像處理

Pix4Dmapper處理大疆精靈4 RTK拍攝的垂直攝影相片時(shí)，由于每張相片中記錄著準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)，無需再進(jìn)行控制點(diǎn)的人工刺點(diǎn)，因此基本可實(shí)現(xiàn)一鍵 生成DSM、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)。人工參與的部分只有坐標(biāo)系設(shè)置，飛行過程中RTK獲取的POS數(shù)據(jù)為BLH格式，需將BLH轉(zhuǎn)換成目標(biāo)坐標(biāo)系的XYZ。若目標(biāo)坐標(biāo)系為CGCS2000，則無需手動(dòng)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)應(yīng)的EPSG編號(hào)為4548，Pix4Dmapper可查找EPSG的參數(shù)并直接轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)一鍵生成；若目標(biāo)坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系，則需先手動(dòng)將每張相片的BLH轉(zhuǎn)換為目標(biāo)坐標(biāo)系的XYZ，再進(jìn)行后續(xù)的影像處理。此外，首次使用某架無人機(jī)時(shí)，需通過讀取任意一張相片的參數(shù)信息，計(jì)算得到相機(jī)出廠時(shí)的中心點(diǎn)、焦距、徑向畸變、切向畸變等相機(jī)參數(shù)，并保存到常用相機(jī)型號(hào)庫中，以后可直接調(diào)用。然而，這個(gè)相機(jī)參數(shù)并不是嚴(yán)格準(zhǔn)確的，是為影像處理提供的初始計(jì)算參數(shù)，在Pix4Dmapper計(jì)算過程中，相機(jī)參數(shù)會(huì)迭代計(jì)算出最終準(zhǔn)確的數(shù)值，并在質(zhì)量報(bào)告中呈現(xiàn)。最后，根據(jù)需求選擇合適的處理選項(xiàng)模板，Pix4Dmapper會(huì)自動(dòng)完成空三加密，生成DSM、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

Context Capture進(jìn)行三維重建主要分為空三加密解算和模型重建兩步。在處理大疆精靈4 RTK拍攝的傾斜攝影相片時(shí)，需要手動(dòng)處理的部分與Pix4Dmapper類似，也是坐標(biāo)系的設(shè)置。在得到空三加密解算成果后，若有明顯傾斜的相片，則需手動(dòng)刪除，再進(jìn)行后續(xù)的模型重建。需要注意的是，Context Capture提供了多種數(shù)據(jù)格式的三維模型輸出，可根據(jù)后續(xù)處理軟件選擇合適的輸出格式，如后續(xù)操作是清華山維EPS軟件立體測圖，則需輸出OSGB格式的三維模型。

2.5 DLG制作

城市基礎(chǔ)測繪工作中占比最大的就是地形圖測繪，清華山維EPS可通過立體測圖的方式完成DLG的制作，但其操作命令與常用的CAD有很大的不同，若使用清華山維EPS完成所有要素的繪制，則需內(nèi)業(yè)人員經(jīng)過一段時(shí)間的培訓(xùn)與實(shí)踐。針對(duì)這種情況，可先將DOM插入到CAD中，在CAD上完成道路、植被、水系、地貌土質(zhì)等平面要素的繪制，因?yàn)檫@些要素在平面上一點(diǎn)的高度差很小無需立體測圖；再使用清華山維EPS完成建筑物部分的繪制。

對(duì)建筑物進(jìn)行立體測圖時(shí)，將Pix4Dmapper處理得到的DOM和Context Capture處理得到的三維模型加載到清華山維EPS中，實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)動(dòng)，如圖2所示。在三維模型中采用五點(diǎn)法繪制建筑物，首先在建筑物的某面上任選兩點(diǎn)確定建筑物一側(cè)的方向邊，然后在其余各面上任選一點(diǎn)，確定其他面的方向邊，從而完成整幢建筑物的繪制。選點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量選取清晰度高、平整度高的位置。右側(cè)窗口每幢建筑物輪廓線繪制完成后將實(shí)時(shí)顯示到左側(cè)窗口中，實(shí)現(xiàn)邊繪制邊檢查。

圖2 清華山維EPS立體測圖界面

3 工程實(shí)例

本文方法已應(yīng)用于天津市西青區(qū)中北鎮(zhèn)某工業(yè)園區(qū)的地形圖測繪工程中，疫情期間園區(qū)內(nèi)多處工廠處于停工停產(chǎn)狀態(tài)，大門緊閉，無法進(jìn)入，傳統(tǒng)測繪方法很難完成此次測繪任務(wù)。

整個(gè)測區(qū)地勢平緩，東西長約為400 m，南北長約為600 m，近似矩形，面積約為0.25 km2。測區(qū)內(nèi)最高建筑為一個(gè)通信塔，高度約為50 m，因此選取測區(qū)中間道路一空曠處作為無人機(jī)的起落地點(diǎn)。根據(jù)測區(qū)情況和測量任務(wù)，對(duì)飛行任務(wù)進(jìn)行合理規(guī)劃：垂直攝影測量時(shí)，設(shè)置航向重疊度為80%、旁向重疊度為70%、航高為100 m；傾斜攝影測量時(shí)，由于測繪成果無需精細(xì)三維模型，只需利用三維模型進(jìn)行立體測圖，因此采用井字飛行生成低分辨率三維模型即可，設(shè)置攝影傾角為-60 ，其他參數(shù)與垂直攝影一致。飛行時(shí)間為60 min，共獲得垂直相片389張、傾斜相片692張。

輸出坐標(biāo)系為CGCS2000，Pix4Dmapper和Context Capture全部選擇默認(rèn)參數(shù)，一鍵生成。生成的DOM、DSM如圖3所示。

圖3 DOM和DSM的制作效果

首先將DOM插入CAD中，在CAD上完成道路、植被、車位等要素的繪制；再將DOM和三維模型導(dǎo)入清華山維EPS中，完成建筑物的繪制；最后對(duì)樹木、雨棚、架空通道等遮蔽區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測，同時(shí)檢查修正測量成果，得到最終完整的地形圖數(shù)據(jù)。

為了檢測本文方法的成圖精度，采用全站儀在測區(qū)內(nèi)5個(gè)不同位置進(jìn)行碎步測量，每個(gè)位置測量20個(gè)檢查點(diǎn)，用于統(tǒng)計(jì)無人機(jī)相片繪制的地形圖精度，結(jié)果如表1所示（由于篇幅限制，只列出其中1組對(duì)比數(shù)據(jù)）。其中，1～10為房屋角點(diǎn)，平面點(diǎn)位中誤差為 6.41 cm；11～20為道路、管井等平面地物，平面點(diǎn)位中誤差為 8.74 cm，可以看出，通過立體測圖方式繪制的房屋精度優(yōu)于通過DOM直接繪制的平面要素精度，這是由于作業(yè)人員在影像判讀時(shí)引入了人工誤差，而立體測圖能很好地規(guī)避這一問題。全部5組對(duì)比數(shù)據(jù)的平面點(diǎn)位中誤差為 6.86 cm，符合 CJJ/T 8-2011《城市測量規(guī)范》對(duì)1∶500地形圖的精度要求。

表1 精度評(píng)定表/m

在效率方面，本文方法完成整個(gè)測區(qū)的外業(yè)飛行時(shí)間約為1 h，內(nèi)業(yè)人工處理的時(shí)間約為3 h，外業(yè)到內(nèi)業(yè)全部由單人完成；而采用傳統(tǒng)測繪方法，3人測繪小組外業(yè)測量6 h、內(nèi)業(yè)1.5 h，完成了約全部測區(qū)的1/2，可以看出，與傳統(tǒng)測繪方法相比，本文方法在人力成本縮減了2/3的前提下，外業(yè)時(shí)間僅為傳統(tǒng)方法的1/12，內(nèi)業(yè)時(shí)間兩種方法基本持平。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于大疆精靈4 RTK的快速測繪方法。相較于傳統(tǒng)測繪，該方法的工作重心由外業(yè)轉(zhuǎn)向內(nèi)業(yè)，外業(yè)時(shí)間大幅縮短，節(jié)省了大量的人力，有效避免了人與人的密切接觸，免像控點(diǎn)布設(shè)，單人即可完成全部外業(yè)工作，且無需進(jìn)入測區(qū)內(nèi)部，在疫情形勢嚴(yán)峻的情況下，不受各種隔離管控措施的約束。在實(shí)際案例的應(yīng)用中，可滿足1∶500地形圖的精度要求，已在城市基礎(chǔ)測繪中得到有效應(yīng)用。