固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)在高原區(qū)域1:1000大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用

高海榮 陳胤璇

（中國(guó)人民解放軍32017部隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)發(fā)展迅速，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展很快，固定翼無(wú)人機(jī)具備操作簡(jiǎn)單，其低空遙感平臺(tái)靈活，成本低等優(yōu)勢(shì)，在測(cè)繪領(lǐng)域更是得到了空前發(fā)展，逐步成為基礎(chǔ)測(cè)繪大比例尺測(cè)圖的重要手段。在高原高寒區(qū)域進(jìn)行大比例尺測(cè)繪，運(yùn)用傳統(tǒng)人工測(cè)量模式（GNSS、全站儀、RTK 等）存在周期長(zhǎng)、工作量大、資金投入高等弊端，而且測(cè)量精度不高，已無(wú)法滿足當(dāng)今高質(zhì)量高效率的要求［1］。所以無(wú)人機(jī)低空遙感測(cè)量可快速獲取指定區(qū)域范圍內(nèi)的高分辨率遙感影像，同時(shí)搭配較高技術(shù)的影像后處理，測(cè)繪精度可滿足大比例尺地形測(cè)繪精度要求，降低生產(chǎn)成本和周期，同時(shí)為在高原進(jìn)行無(wú)人機(jī)進(jìn)行大比例尺測(cè)繪積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)［2］。

本文以西藏自治區(qū)拉薩市林周縣城1:1000 大比例尺地形測(cè)繪工程項(xiàng)目為例，系統(tǒng)介紹了利用固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)縣城區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪的全過(guò)程，作業(yè)按照國(guó)標(biāo)相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行，制作1:1000 大比例尺地形圖，并對(duì)成果精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 測(cè)區(qū)概況

林周縣城位于西藏自治區(qū)拉薩市東北32公里處；地處高山盆地平坦處，四周高山，空氣稀薄，陣流風(fēng)較大，縣城區(qū)域平均海拔3760 米，整個(gè)測(cè)繪區(qū)域面積近6平方公里，整體地形起伏不大，如圖l所示。

圖1 林周縣城影像測(cè)區(qū)范圍

2 飛行平臺(tái)與影像獲取

2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

本次測(cè)量作業(yè)采用中海達(dá)iFly V10型垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。它是一款高性能傾轉(zhuǎn)垂直起降固定翼平臺(tái)航測(cè)無(wú)人機(jī)，起飛降落全自動(dòng)操作，配備高精度差分模塊，支持PPK/RTK 融合解算，該機(jī)續(xù)航能力達(dá)1 小時(shí)，可在100 米～1000 米高度進(jìn)行調(diào)節(jié)作業(yè)，平臺(tái)參數(shù)如表1所示。

表1 iFly V10平臺(tái)主要參數(shù)

2.2 載荷模塊

該平臺(tái)搭載了Q50 傾斜載荷模塊，集成了一個(gè)正攝相機(jī)和四個(gè)傾斜相機(jī)，所采集數(shù)據(jù)影像可用于生產(chǎn)高精度實(shí)景三維地圖和傳統(tǒng)地圖，其參數(shù)如表2所示。

表2 Q50載荷規(guī)格參數(shù)

2.3 航線設(shè)計(jì)與影像采集

按照規(guī)范要求，航飛路線設(shè)計(jì)航向圖像重疊度為80%，旁向圖像重疊度為65%，可以根據(jù)航飛當(dāng)時(shí)情況對(duì)于其重疊度進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。林周縣城地處高原，空氣稀薄，風(fēng)機(jī)升降負(fù)荷大，山谷陣風(fēng)較大，綜合無(wú)人機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)重疊度調(diào)整為航向圖像重疊度為75%，旁向圖像重疊度為50%，以減少作業(yè)架次。飛行航線設(shè)置利用iFly 智能航測(cè)助手設(shè)置完成，航線如圖2所示。

圖2 林周縣城飛行航線規(guī)劃

3 像控點(diǎn)布設(shè)與采集

傳統(tǒng)航空攝影控制測(cè)量選點(diǎn)，一般選擇在航飛影像生成后，按照影像信息，在指定地點(diǎn)選擇控制點(diǎn)，且控制點(diǎn)數(shù)量和位置有明確規(guī)定和要求，每張照片都應(yīng)該布設(shè)控制點(diǎn)，且旁向相鄰平面控制點(diǎn)的航線寬度不能大于2 條基帶。按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行影像控制點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量，控制點(diǎn)數(shù)量多，而且點(diǎn)位選擇范圍較小，作業(yè)難度大?，F(xiàn)階段，基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的計(jì)算軟件的算法和精度的提高,像控測(cè)量點(diǎn)大大減少,在影像覆蓋區(qū)域的邊緣和影像內(nèi)部,少量的高精度像控點(diǎn)就可以滿足要求［3］。

為滿足1:1000 大比例尺測(cè)圖要求，采用指定區(qū)域預(yù)先布設(shè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的方法進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)與采集，布控點(diǎn)位采取噴漆和像控布兩種方式，在能夠利用噴漆涂繪進(jìn)行標(biāo)識(shí)的地方利用紅油漆標(biāo)識(shí)點(diǎn)制作［3-4］，在其他區(qū)域可以布設(shè)已經(jīng)制作好的標(biāo)識(shí)布來(lái)進(jìn)行，其形狀如圖3所示。

圖3 標(biāo)識(shí)影像

在航測(cè)前，根據(jù)林周縣城測(cè)量區(qū)域面積和航攝線路規(guī)劃及測(cè)量要求，像控點(diǎn)按照根據(jù)作業(yè)區(qū)域均勻布設(shè)，林周縣共布設(shè)24 個(gè)，采用RTK 技術(shù)測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000，平面精度±1cm＋1ppm，高程精度±3cm＋1ppm［5-6］。

4 影像處理與DLG生產(chǎn)

圖像處理是作為整個(gè)任務(wù)比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié),處理包括空中三角形加密，全景圖像拼接處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成，三維模型建模和DEM/DOM 數(shù)據(jù)生成等。本次作業(yè)采用的是中海達(dá)隨機(jī)計(jì)算軟件iFly V10助手。

4.1 影像預(yù)處理

外業(yè)飛行影像獲取結(jié)束后，下載影像數(shù)據(jù)后，對(duì)原始相片進(jìn)行預(yù)處理，主要完成個(gè)別相片附變差改正，對(duì)影像進(jìn)行部分的勻光和勻色，對(duì)部分相片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，確保影像達(dá)到要求。

4.2 空中三角測(cè)量

航空攝影測(cè)量其數(shù)據(jù)處理的核心就是對(duì)相片進(jìn)行空中三角測(cè)量，根據(jù)影像空間位置數(shù)據(jù)信息自動(dòng)建立航帶內(nèi)和航帶間的拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)，然后提取連接點(diǎn)，通過(guò)海量數(shù)據(jù)的平差點(diǎn)坐標(biāo)和平差計(jì)算對(duì)一些跳點(diǎn)進(jìn)行剔除，然后將控制點(diǎn)作為空中三角測(cè)量計(jì)算的基準(zhǔn)，進(jìn)行加密和計(jì)算，獲取外方位元素精確數(shù)據(jù)信息和加密點(diǎn)坐標(biāo)，完成空中三角測(cè)量。此次作業(yè)測(cè)量范圍不大，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理，數(shù)據(jù)處理后獲得自由網(wǎng)精度小于1 個(gè)像元大小(0.004 88 mm)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自由平差和控制平差，輸出平差報(bào)告。N、E、H三個(gè)方向的測(cè)量平均誤差均小子0.2m，精度結(jié)果符合規(guī)范要求，且精度較高，點(diǎn)位精度見(jiàn)表3。

表3 點(diǎn)位精度表

4.3 DEM編輯與DOM制作

空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理完成后，運(yùn)用軟件自動(dòng)生產(chǎn)DEM 成果，要通過(guò)差值處理、置平、過(guò)濾的方法對(duì)DEM 成果進(jìn)行編輯加工，主要是對(duì)測(cè)區(qū)范圍的地物，包括樹(shù)木、水域和人工建筑等進(jìn)行人工編輯，以提高DEM和后續(xù)產(chǎn)品的精度。

編輯修改DEM 完成后，可以對(duì)影像進(jìn)行單片糾正和編輯，對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行色調(diào)均衡處理，編輯修改完成，可以自動(dòng)鑲嵌處理生成DOM 數(shù)據(jù)，林周縣城此次作業(yè)影像分辨率為0.1m，測(cè)區(qū)三維影響如圖4所示。

圖4 測(cè)區(qū)三維影像

4.4 地形圖制作

空三處理完成后，即可對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行立體采集，形成地形圖。立體采集時(shí)，按照采集軟件要求，依次采集等級(jí)道路、建筑房屋、油氣水管線、河流水系、陡崖陡坎、等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)和高程點(diǎn)、等高線等要素信息。按照此次任務(wù)的相關(guān)要求，我們還對(duì)土地類(lèi)型，界限以及高原傳統(tǒng)信息進(jìn)行采集。內(nèi)業(yè)采集完成后還需對(duì)地形圖進(jìn)行調(diào)查調(diào)繪，確定地物屬性，在數(shù)據(jù)確準(zhǔn)基礎(chǔ)上，生成地類(lèi)地形圖。

4.5 DLG精度評(píng)定

精度評(píng)定是檢查作業(yè)精度和規(guī)范要求的重要一項(xiàng)工作，高原區(qū)域作業(yè)困難度高，我們利用RTK 技術(shù)實(shí)測(cè)一些距離控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的特征點(diǎn)坐標(biāo)，用計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)位的中誤差檢查DLG 精度，選擇共采集23 個(gè)特征實(shí)測(cè)點(diǎn)，主要為道路拐角、房屋的房角、、田坎交界、管線定點(diǎn)等明顯特征地物。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)特征分析，測(cè)區(qū)DLG 的點(diǎn)位精度N 方向中誤差為0.16 m。最大誤差為0.33 m；E 方向中誤差為0.17 m，最大誤差為0.32 m ；平面位置中誤差為0.22m，故大誤差為0.32 m；高程中誤差為0.19m，最大誤差為0.32m，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)林周縣縣城區(qū)域1:1000 大比例尺地形測(cè)繪任務(wù)的實(shí)踐，系統(tǒng)闡述固定翼無(wú)人機(jī)航測(cè)應(yīng)用于大比例尺地形測(cè)繪的具體流程。通過(guò)作業(yè)成果表明，固定翼無(wú)人機(jī)在高原高寒區(qū)域進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，能夠滿足大比例尺地形測(cè)繪技術(shù)要求和相關(guān)規(guī)范要求，成圖質(zhì)量高，精度能夠達(dá)到要求，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間短，效率高，減輕人員作業(yè)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本50%，應(yīng)用前景廣泛。固定翼無(wú)人機(jī)在高原高寒作業(yè)還存在很多問(wèn)題，高原氣候稀薄飛機(jī)動(dòng)力不足，作業(yè)續(xù)航電池時(shí)間短等都需要在作業(yè)中注意和解決。