兩種提高小型四旋翼無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪工程項(xiàng)目中整體工作效率的方法探討

黃 斌，胡智峰，翟佳輝

（西安煤航遙感信息有限公司，陜西 西安 710099）

在大比例尺地形圖測繪工程項(xiàng)目中，無人機(jī)航測已成為一種被廣泛使用的測繪技術(shù)，具有成本低、效率高、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，小型四旋翼無人機(jī)集成化程度越來越高，已經(jīng)可以完成以往只有大型固定翼無人機(jī)才能完成的航測工作。從不同的工作環(huán)節(jié)，使用不同的方法，制定合理的適用于小型四旋翼無人機(jī)的作業(yè)方案，使其工作效率最大化，是行業(yè)工作者需要長期總結(jié)的問題。

1 研究提高小型四旋翼無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪工程項(xiàng)目中整體工作效率的目的

隨著無人機(jī)航測技術(shù)的普及，無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪工程中的應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]。無人機(jī)航測技術(shù)，具有時(shí)效性強(qiáng)，成本低等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于公路鐵路建設(shè)規(guī)劃、礦山綜治規(guī)劃、河流水庫綜治規(guī)劃、城市建設(shè)規(guī)劃等各個(gè)方面。小型四旋翼無人機(jī)因體積小、智能化程度高，使用門檻低，逐漸受到廣大業(yè)內(nèi)人士的青睞。但受自身體積所限，小型四旋翼無人機(jī)的作業(yè)效率，始終無法和大型固定翼無人機(jī)比較。在實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)施過程中，使用小型四旋翼無人機(jī)作業(yè)，則必須想方設(shè)法提高其作業(yè)效率，才能對項(xiàng)目整體進(jìn)行合理的成本管控。

提高小型四旋翼無人機(jī)的作業(yè)效率，不僅僅只是提高無人機(jī)在飛行任務(wù)上的效率，而是一個(gè)宏觀統(tǒng)籌的過程。在項(xiàng)目外業(yè)工作啟動(dòng)前，應(yīng)對項(xiàng)目整體流程進(jìn)行分解，按照不同的環(huán)節(jié)，在不同的工作節(jié)點(diǎn)上找到有利于提升該節(jié)點(diǎn)工作效率的方法，首先實(shí)現(xiàn)某個(gè)工作節(jié)點(diǎn)的工作效率的提升。當(dāng)所有的工作節(jié)點(diǎn)都找到了行之有效的可以提升工作效率的方法之后，制定合理的項(xiàng)目整體工作計(jì)劃，分步實(shí)施，從而實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目整體工作效率的提升。

本文提出的利用往期高分辨率衛(wèi)星影像為參考規(guī)劃像控點(diǎn)位置的方法，用于大比例尺地形圖測繪工程項(xiàng)目中的像控布設(shè)環(huán)節(jié)。像控布設(shè)是滿足大比例尺地形圖測繪成果的基礎(chǔ)性的、不可缺少的過程。在實(shí)際的外業(yè)工作中，作業(yè)人員因地形復(fù)雜，道路崎嶇，經(jīng)常需要在沒有外力協(xié)助的情況下，以步行的方式攜帶設(shè)備，遠(yuǎn)距離的前往規(guī)劃點(diǎn)布設(shè)像控點(diǎn)，不僅時(shí)間長、體力消耗大，而且極大地降低了項(xiàng)目整體的工作效率。故此，在可以滿足項(xiàng)目成果精度的前提下，合理的對像控點(diǎn)位置進(jìn)行微調(diào)，不僅能保證項(xiàng)目的成果精度，而且能減少時(shí)間成本，提高工作效率。例如，在沒有可供人員車輛迅速到達(dá)的需要布設(shè)像控點(diǎn)區(qū)域，如附近存在距離此像控點(diǎn)位置較近的道路，或附近有固定的地物，如房屋、橋梁等包含以上兩種但不限于以上兩種的固定地物，則可將像控點(diǎn)位置進(jìn)行微調(diào)，重新設(shè)置位置。如此一來，不僅減輕了作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)，而且大幅提高了項(xiàng)目整體的工作效率。

本文提出的另一種利用已有高程數(shù)據(jù)選擇小型四旋翼無人機(jī)起降點(diǎn)的方法，同樣是以提升單節(jié)點(diǎn)工作環(huán)節(jié)的工作效率，來提升項(xiàng)目整體工作效率的一種方法。無人機(jī)外業(yè)飛行，是一項(xiàng)需要對天氣狀況、地形地貌、航線規(guī)劃等方面綜合分析的工作。小型四旋翼無人機(jī)受續(xù)航能力限制，單架次作業(yè)時(shí)間短，合理的選擇起降點(diǎn)，不僅能減少小型四旋翼無人機(jī)因起降點(diǎn)距離航線起點(diǎn)過遠(yuǎn)導(dǎo)致的動(dòng)力輸出浪費(fèi)，而且可以減少無效飛行架次，通過多頻次的效率累加，減少或達(dá)到與大型固定翼無人機(jī)在工作效率上的差距。以作者所使用的大疆精靈4RTK小型四旋翼無人機(jī)為例，單架次作業(yè)面積約為0.8 平方公里，在合理規(guī)劃起飛點(diǎn)的情況下，采用多機(jī)并行飛行的模式，使用3組電池便可以完成2.6 平方公里的飛行任務(wù)，但如對起降點(diǎn)規(guī)劃的不合理，無人機(jī)在前往航線起點(diǎn)的距離過長，或起降點(diǎn)距離航線末端航點(diǎn)的距離過遠(yuǎn)，不但飛行架次數(shù)有所增加，且小型四旋翼無人機(jī)與地面站之間的數(shù)據(jù)通信也會受到影響，信號一旦中斷，小型四旋翼無人機(jī)將會啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制，進(jìn)入失控返航模式，在這種情況下，只能在無人機(jī)降落后，重新上傳航線起飛執(zhí)行飛行任務(wù)，既浪費(fèi)了時(shí)間，又消耗了無人機(jī)動(dòng)力電池的儲備數(shù)量，直接導(dǎo)致飛行效率下降，從而影響項(xiàng)目的整體工作效率。

由此可見，研究提高小型四旋翼無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪工程中整體工作效率的目的，是為了保證以較低的項(xiàng)目成本，迅速完成項(xiàng)目，提升項(xiàng)目各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作效率，是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性工作。

2 兩種提高小型四旋翼無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪項(xiàng)目中整體工作效率的方法

2.1 利用往期高分辨率衛(wèi)星影像為參考規(guī)劃像控點(diǎn)位置的方法

在大比例尺地形圖測繪工程項(xiàng)目[2]中，為滿足航測精度需要，往往需要布設(shè)像控點(diǎn)。利用往期高分辨率衛(wèi)星影像為參考規(guī)劃像控點(diǎn)位置，如使用奧維地圖等軟件，非常直觀。

首先根據(jù)項(xiàng)目精度要求，按照像控點(diǎn)布設(shè)規(guī)范，以KML范圍為邊界，在奧維地圖等軟件提供的往期衛(wèi)星影像上，根據(jù)測區(qū)地形布設(shè)像控點(diǎn)。在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮該像控點(diǎn)的布設(shè)位置，是否有固定的地物、便于到達(dá)的道路，是否有影響像控點(diǎn)布設(shè)的不利地貌，如池塘、林地等。同時(shí)，根據(jù)測區(qū)往期的衛(wèi)星影像，合理地對按照規(guī)范布設(shè)的像控點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，確保像控點(diǎn)既可以滿足項(xiàng)目精度需要，又可以迅速到達(dá)。

2.2 利用已有高程數(shù)據(jù)選擇小型四旋翼無人機(jī)起降點(diǎn)的方法

在大比例尺地形圖測繪項(xiàng)目的外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，為滿足項(xiàng)目精度需要，需要以較低的航高飛行。如選用小型四旋翼無人機(jī)作業(yè)，由于其存在單架次作業(yè)面積小、航時(shí)短的問題，往往需要將測區(qū)分割成面積差不多的若干個(gè)區(qū)域，分區(qū)飛行。

為保證分區(qū)飛行的作業(yè)效率，需要十分合理地規(guī)劃小型四旋翼無人機(jī)起降點(diǎn)。利用已有高程數(shù)據(jù)疊加測區(qū)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，在海拔高的區(qū)域，選擇可以使小型四旋翼無人機(jī)快速進(jìn)入航線、且車輛人員易于到達(dá)的位置作為小型四旋翼無人機(jī)的起降點(diǎn)，不但可以保證小型四旋翼無人機(jī)飛控合理的分配動(dòng)力執(zhí)行航線任務(wù)，而且可以保證數(shù)傳、圖傳信號的穩(wěn)定，避免因數(shù)傳、圖傳信號質(zhì)量差而導(dǎo)致作業(yè)任務(wù)中斷所造成的工作效率下降。

3 項(xiàng)目案例及成果分析

3.1 項(xiàng)目概況

某風(fēng)力發(fā)電廠1：1000地形圖測繪項(xiàng)目，工作區(qū)面積約20平方公里，地形為山區(qū)地貌，平均風(fēng)力4-5級。本項(xiàng)目主要任務(wù)是獲取工作區(qū)數(shù)字化地形圖（DLG-Digital Line Graphic）、正射影像圖（DOM-Digital Orthophoto Map），為某風(fēng)力發(fā)電廠提供基礎(chǔ)地形地貌數(shù)據(jù)。項(xiàng)目成果采用CGCS2000坐標(biāo)系高斯克呂格投影，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)，為滿足地形圖精度需要，需要布設(shè)像控點(diǎn)若干。

3.2 航線設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用小型四旋翼無人機(jī)大疆精靈4RTK作業(yè)，為保證作業(yè)效率，首先將測區(qū)分割為9個(gè)面積基本一致的作業(yè)區(qū)塊，采用分區(qū)塊作業(yè)的模式進(jìn)行。同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)采集精度及航片數(shù)據(jù)質(zhì)量，設(shè)置航高300米，旁向重疊度80%，航線重疊度80%，飛行速度13米/秒。飛行航線由大疆精靈4RTK無人機(jī)地面站軟件依據(jù)測區(qū)KML范圍自動(dòng)生成。

3.3 起飛點(diǎn)規(guī)劃

測區(qū)分為9個(gè)面積基本相等的作業(yè)區(qū)塊，每個(gè)作業(yè)區(qū)塊面積約為2.5 平方公里，在滿足1：1000成圖精度的前提下，按照大疆精靈4RTK無人機(jī)單架次約0.9 平方公里的作業(yè)面積，完成每個(gè)作業(yè)區(qū)塊理論上只需要3個(gè)飛行架次即可。但因測區(qū)屬山區(qū)地貌，高差較大，如選擇的起降點(diǎn)位置不合理，實(shí)際飛行架次數(shù)量必將遠(yuǎn)大于理論飛行架次數(shù)量。根據(jù)利用已有高程數(shù)據(jù)選擇小型四旋翼無人機(jī)起降點(diǎn)的方法，在每個(gè)作業(yè)區(qū)塊海拔較高的區(qū)域，篩選出基本上位于該作業(yè)區(qū)塊中心、且人員車輛便于到達(dá)的位置作為起降點(diǎn)，不但保證了無人機(jī)通信系統(tǒng)的信號傳輸穩(wěn)定，而且保證了無人機(jī)動(dòng)力電池在航線飛行中的合理使用，同時(shí)避免了頻繁更換起飛場地。依據(jù)此方法，在規(guī)劃的9塊作業(yè)區(qū)塊中，共預(yù)設(shè)起降點(diǎn)13個(gè)，其中5個(gè)作業(yè)區(qū)塊僅需一個(gè)起降點(diǎn)，即可完成本區(qū)域的飛行作業(yè)，大大提高了飛行作業(yè)的效率。

如圖1所示，根據(jù)測區(qū)已有高程數(shù)據(jù)，以等高線數(shù)值最高的區(qū)域?yàn)楹Y選基礎(chǔ)，預(yù)設(shè)規(guī)劃起降點(diǎn)。圖釘標(biāo)志為預(yù)設(shè)的起降點(diǎn)，共預(yù)設(shè)規(guī)劃起降點(diǎn)13個(gè)（如圖2所示）。

圖1

圖2

3.4 像控點(diǎn)布設(shè)

本項(xiàng)目采用以往期高分辨率衛(wèi)星影像為參考規(guī)劃像控點(diǎn)位置的方法，共布設(shè)像控點(diǎn)12個(gè)。根據(jù)往期衛(wèi)星影像提供的參考，將部分人員、車輛不易到達(dá)的像控點(diǎn)位置進(jìn)行了重新規(guī)劃，在保證項(xiàng)目整體精度的前提下，減小了布設(shè)像控點(diǎn)的成本，提升了工作效率。

某原始像控點(diǎn)位置位于測區(qū)西南部道路不可到達(dá)區(qū)域，且無固化路面及固定地物，如不重新規(guī)劃此像控點(diǎn)位置，布設(shè)此像控點(diǎn)需要作業(yè)人員步行前往，且需要以鋪撒石灰或鋪設(shè)像控標(biāo)志相紙的方式布點(diǎn)，攜帶工具多、步行時(shí)間長，大大增加了時(shí)間成本；將像控點(diǎn)位置重新規(guī)劃后，從影像判斷，新的像控點(diǎn)位置位于水泥硬化道路，不僅車輛可以迅速到達(dá)，還可以以噴涂油漆的方式布設(shè)L型像控標(biāo)志，具有易于到達(dá)、布設(shè)成本低、便于操作、不易損毀的特點(diǎn)。

本項(xiàng)目像控點(diǎn)地標(biāo)采用長度1米、寬度0.3 米的L型紅色噴漆或白色石灰鋪設(shè)（如圖3所示），采用RTK測量方式采集L型標(biāo)志外角，測區(qū)內(nèi)共布設(shè)像控點(diǎn)12個(gè)。

圖3

3.5 無人機(jī)飛行

在測區(qū)天氣符合飛行作業(yè)要求的情況下（天氣晴朗、風(fēng)力3-4級），作業(yè)人員按照預(yù)先規(guī)劃的起降點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)飛行作業(yè)。無人機(jī)航攝成像時(shí)間為每日上午10：00至每日下午15：00，共進(jìn)行了39個(gè)架次的無人機(jī)飛行，其中有效架次36次，共計(jì)拍攝航片2668張。無人機(jī)飛行速度13米/秒，飛行姿態(tài)穩(wěn)定。

3.6 數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，在外業(yè)相控的基礎(chǔ)上，采用GPS輔助空三技術(shù)，利用PIX4D軟件進(jìn)行空三加密，在此基礎(chǔ)上生成密集的DSM（數(shù)字表面模型）點(diǎn)，通過處理DSM點(diǎn)獲取數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。然后利用DEM對影像進(jìn)行正射糾正及鑲嵌，生成數(shù)字正射影像（DOM）。最后導(dǎo)入空三加密成果，通過采用航天遠(yuǎn)景和cass10.0 軟件，繪制等高線，采集地物信息，進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)的編輯和整飾，最終形成數(shù)字線劃圖（DLG）成果。

表1

3.7 精度分析

通過后期對航飛數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字空三加密可以看出，本項(xiàng)目空三加密的各項(xiàng)精度[3]均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)書的要求，可提高本項(xiàng)目下道工序使用（空三精度報(bào)告如表1所示）。

4 結(jié)束語

無人機(jī)航測技術(shù)在大比例尺地形圖測繪工程項(xiàng)目中的運(yùn)用十分廣泛，根據(jù)不同項(xiàng)目的地形地貌，合理地規(guī)劃像控點(diǎn)的位置、選擇合適的起降地點(diǎn)，不僅可以減少外業(yè)工作量，也可為提高項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)工作效率奠定基礎(chǔ)。按照拆分環(huán)節(jié)、分段把控、整體提升的方針來不斷總結(jié)提高小型四旋翼無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪工程中整體工作效率的方法，是一種客觀的、符合項(xiàng)目實(shí)際工作流程的思路。

本文提出的兩種提高小型四旋翼無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪項(xiàng)目中工作效率的方法，簡單實(shí)用，僅以此兩種方法作為探討，希望給相關(guān)工作者一些參考。