多旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用

張亞林

(甘肅甘蘭水利水電勘測設(shè)計院有限責任公司，蘭州，733000)

1 引言

傳統(tǒng)攝影測量需要進行大量像控點的布設(shè)，通過對空中三角形的解析來解算六個外方位元素[1]。在無人機測圖時，GNSS通過差分可將攝影測量中心曝光時刻的三個空間位置信息提供出來，從而可將外業(yè)像控點減少[2]。對于無人機攝影測量而言，常用定位技術(shù)有實時動態(tài)差分(RTK)、事后動態(tài)差分(PPK)，這兩種差分方式在原理上存在差異，但在精度上基本一致[3]。傳統(tǒng)方法進行1∶500地形圖的測繪時，主要利用RTK、全站儀進行地物點、特征點三維坐標的實地采集，然后再使用軟件進行地形圖的編繪[4]。傳統(tǒng)1∶500地形圖測量采集的要素較多，且在精度上具有較高的要求，需投入大量測工進行實地采點、調(diào)繪。

近年來，隨著航空攝影測量的發(fā)展，使得采用多旋翼無人機搭載多鏡頭的相機攝影測量技術(shù)已較為成熟，且在1∶500比例尺測圖項目中應(yīng)用廣泛[5-7]。隨著續(xù)航時間、飛控軟件、載重量、定位精度等無人機參數(shù)優(yōu)化提升，無人機攝影測圖效率越來越高，無人機已取代傳統(tǒng)人工測繪，成為大面積測圖主流方式[8]。但傳統(tǒng)航測未突破5cm點位中誤差的要求，這對無人機在高精度測圖項目中的應(yīng)用造成了限制。因而，研發(fā)一種在大范圍1∶500適應(yīng)的無人機測圖方案非常必要。和傳統(tǒng)人工測量相比，無人機掛載傾斜攝影設(shè)備測量1∶500地形圖時表現(xiàn)出迅速、靈活、作業(yè)范圍廣等優(yōu)點[9]。無人機傾斜攝影測量技術(shù)是無人機進行多鏡頭相機搭載，對拍攝區(qū)域進行無死角、全方位拍攝，經(jīng)內(nèi)業(yè)差分處理可將三維實景模型制作出來[10]。傾斜攝影測量具有高精度、全面直觀、低成本、高效等特點[11]。因此，本文在甘肅禮縣某水庫安全鑒定工程中使用無人機進行了1∶500地形圖測繪。

2 無人機攝影測量技術(shù)

2.1 RTK技術(shù)及PPK技術(shù)

采用RTK技術(shù)作業(yè)時，在流動站及基準站間，流動站及CORS控制中心間建立實時通訊鏈路，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和常規(guī)RTK技術(shù)均方便快捷，可實時得到測量點位質(zhì)量信息及三維坐標。常規(guī)RTK技術(shù)受電臺功率、地形條件、數(shù)據(jù)鏈傳輸質(zhì)量的影響較大，因作業(yè)距離短，需不停進行基準站的變換。在應(yīng)用上，網(wǎng)絡(luò)RTK取決于無線信號覆蓋強弱、范圍，同時還與控制中心解算軟件穩(wěn)定性及處理能力有關(guān)。PPK屬于一種GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)后處理技術(shù)(獲取厘米級定位精度信息的后處理差分技術(shù))，不受地形限制，流動站及基準站GNSS接收機進行對采集的原始觀測數(shù)據(jù)處理后，測量精度可達到厘米級。本研究使用大疆經(jīng)緯M300無人機，其主要參數(shù)詳見表1。

表1 大疆經(jīng)緯M300無人機主要參數(shù)

2.2 RTK及PPK測量技術(shù)工作原理

RTK技術(shù)是基于載波相位為觀測量實時差分測量技術(shù)，其工作原理是在基準站安裝數(shù)據(jù)發(fā)送電臺及GPS接收機，實時發(fā)送基準站位置信息及觀測量信息給流動站。流動站對四顆以上的衛(wèi)星信號進行實時接收，并對基準站電臺發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)、差分改正數(shù)據(jù)進行接收，將用戶位置實時解算出來。RTK技術(shù)能將流動站、基準站公有誤差大幅度消弱，可將定位精度大幅提高。RTK定位精度可達到厘米級別。

PPK測量系統(tǒng)由流動站、基準站組成，用戶不需要配備數(shù)據(jù)通信鏈路。其工作原理是采用一臺基準站接收機及流動站接收機，保持流動站、基準站對可見衛(wèi)星連續(xù)進行同步觀測，形成對衛(wèi)星載波相位觀測量。結(jié)束觀測后，使用GNSS軟件處理數(shù)據(jù)，從而可將基準站、流動站間的空間相對位置計算出來，在軟件里將基準站已知坐標進行固定，平差獲得流動站坐標。PPK技術(shù)隨GNSS數(shù)據(jù)處理技術(shù)、軟硬件技術(shù)的發(fā)展，尤其是無人機攝影測量技術(shù)的日漸發(fā)展，其應(yīng)用范圍日趨擴大。目前，無人機均具有PPK作業(yè)及數(shù)據(jù)處理功能。圖1為PPK技術(shù)作業(yè)基本流程。

圖1 PPK技術(shù)作業(yè)基本流程

傾斜攝影測量是在無人機上搭載一臺單鏡頭相機或多鏡頭相機，從斜視、下視等不同視場角度獲取影像，完整表達地物情況。垂直影像是相對于地面成90°夾角拍攝的影像，傾斜影像是相對于地面有相對應(yīng)夾角拍攝的影像。傾斜相機是傾角大于15°的拍攝相機。無人機傾斜攝影系統(tǒng)由無人飛行器平臺、操作人員、航拍設(shè)備組成。無人飛行器平臺分為固定翼無人機、多旋翼無人機；操作人員由地面站指揮員、無人機駕駛員組成；航拍設(shè)備由姿態(tài)定位系統(tǒng)、傾斜相機組成。無人機航空攝影包括無人機作業(yè)飛行、發(fā)射、數(shù)據(jù)檢查、無人機回收等步驟。選擇適宜起降場地，在飛行指令接收到后，發(fā)射無人機。無人機集成可高精度差分系統(tǒng)只需獲取地面端的基站數(shù)據(jù)及無人機端的差分數(shù)據(jù)。無人機飛行任務(wù)完成后，返航到降落點上空，在操控員掌控下，用遙控器切換到人員操縱模式，引導(dǎo)無人機著陸。從存儲設(shè)備中將差分數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)導(dǎo)出，檢查數(shù)據(jù)。后期處理流程包含空中三角測量、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云建模等步驟。圖2為內(nèi)業(yè)處理流程。

圖2 內(nèi)業(yè)處理流程

3 1∶500地形圖制作

利用EPS測圖軟件進行三維實景影像成果立體采集，對1∶500線劃地形圖進行測制，包含四個步驟：

步驟一是繪制建筑物外部輪廓：通過建筑物側(cè)面形狀數(shù)據(jù)，對建筑側(cè)面輪廓的基點進行繪制，形成閉合線狀要素，根據(jù)三維模型對建筑物特征進行確定，賦予要素建筑物屬性信息。

步驟二是繪制線狀地物：通過傾斜模型繪制線狀地物，在三維模型上，直觀展現(xiàn)地物平面高程、位置、屬性特征等，快速提取要素內(nèi)容。

步驟三是提取高程：傾斜模型上有高程信息，在模型上快速提取高程數(shù)據(jù)。

步驟四是修飾地形圖：完成繪制后，對照傾斜攝影模型檢查圖面進行注記，對要素進行修飾繪制。

4 無人機傾斜攝影1∶500地形圖的測繪實例

4.1 測區(qū)概況

本次航攝測區(qū)為某水電工程區(qū)1∶500地形圖測繪，此測量區(qū)域內(nèi)包含了水庫以及山地，而測區(qū)則是水庫及水庫周邊山地，其平均海拔大概達1650m，航攝測區(qū)的面積約2.0km2，圖3為測區(qū)范圍，表2為部分像控點數(shù)據(jù)。

表2 部分像控點數(shù)據(jù) (單位：m)

圖3 測區(qū)范圍

為滿足模型精度，測區(qū)內(nèi)共布設(shè)像控點15個。

4.2 航線規(guī)劃設(shè)計

在無人機航攝開始飛行之前，依據(jù)成圖，應(yīng)當計算飛行作業(yè)時的航飛參數(shù)，比如攝影比例尺以及計算航線的間距、航行高度等。

4.2.1 確定地面分辨率和航髙

依據(jù)所需的成圖比例尺的條件來明確地面的分辨率，表3為地面成圖比例尺以及分辨率間的對應(yīng)表。

表3 地面成圖比例尺和分辨率對應(yīng)

攝影航高所指的是和地面相對而言，攝影平臺的基準面所具有的高度[10]。航高的算式是：f/H=像元尺寸/H，(其中，f為焦距，H為攝影航高)。以GSD標示著地面的分辨率，基于相機校驗而得出f以及像元尺寸。本次航飛采用賽爾102S，像元尺寸為3.9um，焦距為35mm。

4.2.2 像片重疊度及航線參數(shù)設(shè)置

依據(jù)低空數(shù)字航空攝影的規(guī)范要求，航向的重疊度采用80%，旁向重疊度采用70%。基于測區(qū)范圍，明確出航線的起點以及終點、航線的方向、間隔、長度以及航線數(shù)量。航線的間隔寬度以及基線的長度計算可采用下列求算式：

bx=Lx×(1-px)
dy=Ly×(1-pr)
Bx=bx×(H/f)
Dy=dy×(H/F)

上式中，bx為像片上的攝影基線長度；BX為實地攝影的基線長度；dy為航線間隔寬度；px為航向重疊度；DY為實地航線的間隔寬度；Lx為像幅長度；pr為旁向重疊度；H為攝影航高；Ly為像幅寬度；f為鏡頭焦距。

4.3 基于大疆制圖軟件進行航測數(shù)據(jù)處理

大疆制圖軟件數(shù)據(jù)處理過程完全自動化，操作比較簡易、處理的速度也很快；快速化地自動生成DOM以及DSM，并針對傾斜影像實施自動化勻色處理；通常在測區(qū)邊緣以內(nèi)、測區(qū)中間布置像控點。設(shè)置好像控點坐標系并將像控點文件導(dǎo)入，刺點后提交空中三角測量，生成實景三維模型。具體流程如圖4所示。

圖4 空中三角測量流程

圖5為水庫傾斜三維模型，空洞區(qū)為水庫水面，無法生成三維模型。

圖5 水庫傾斜三維模型

4.4 數(shù)據(jù)編輯

在10.1的CASS大比例尺專業(yè)圖形編輯軟件中編輯1∶500地形圖，圖6是局部的1∶500地形圖。

圖6 局部1∶500地形圖

4.5 地形圖精度評定

依據(jù)《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 18316-2008)以及《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》(GB/T 24356—2009)的要求來針對工程區(qū)的1∶500地形圖展開圖面檢查，借助于外業(yè)的檢查點與地形圖進行對比，是否滿足規(guī)范精度要求。

4.5.1 地形圖平面精度評定

此次的實地量測量總共有30個平面檢查點，對工程測區(qū)之內(nèi)的地形圖平面精度加以檢驗，表4是測驗區(qū)內(nèi)部中分地形圖之平面檢查點的精度統(tǒng)計。

表4 測區(qū)內(nèi)部分地形圖之平面檢查點的精度統(tǒng)計(m)

從表4可知，檢查點的最小點位誤差是0.01m，而檢查點的最大點位誤差則是0.10m，本測區(qū)為一般地區(qū)，依比例尺1∶500的計算，由表5能夠知，可得出容許點位中誤差限差達到1.59m。此次的地形圖測量其點位中誤差可滿足比例尺1∶500地形圖的精度要求。

表5 圖上地物點的點位中誤差 (單位：mm)

4.5.2 地形圖高程精度評定

本項目工程區(qū)1∶500地形圖一幅，對測區(qū)之中的地形圖的高程精度加以檢驗，可用外業(yè)實測的檢查點來對內(nèi)業(yè)地形圖的高程作出測量。表6是1∶500地形圖中的一些高程檢查統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表6 1∶500地形圖部分高程檢查統(tǒng)計 (單位：m)

從表6可見，根據(jù)數(shù)據(jù)所得中誤差為0.037m，地形圖高程的精度切合于具體的精度要求。經(jīng)對于地形圖的高程精度以及平面精度的具體分析可知，工程區(qū)的地形圖1∶500其精度是與規(guī)范要求相符的，而且質(zhì)量優(yōu)良。

5 結(jié)語

多旋翼無人機傾斜攝影測量技術(shù)近年來在測繪行業(yè)應(yīng)用廣泛，本文基于甘肅禮縣某水庫安全鑒定工程使用無人機進行了1∶500地形圖測繪，對無人機低空攝影測量技術(shù)基本流程及關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)介紹。經(jīng)與野外實測點對比，平面及高程精度滿足規(guī)范中對1∶500地形測圖的精度要求。通過該技術(shù)可實現(xiàn)水庫多源地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取，同時獲取的地表模型數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)可為水庫工程設(shè)計、施工等提供有效數(shù)據(jù)支撐。