不同航高對無人機(jī)航測地形制圖精度影響研究

陶順勇 楊培兵

摘要：為研究不同航高對航測地形圖精度的影響，采用大疆經(jīng)緯M300 RTK多旋翼無人機(jī)，對某水庫進(jìn)行4種航高的航空攝影并獲取了航攝影像，利用大疆智圖軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了DOM，DEM，DLG等4D數(shù)字產(chǎn)品。將實(shí)測數(shù)據(jù)與航測成果進(jìn)行對比，并進(jìn)行了精度評定和分析，闡述了不同航高對無人機(jī)攝影測量地形制圖的精度影響。結(jié)果表明：所采用的4種航高飛行獲取的數(shù)據(jù)能夠滿足植被較少區(qū)域大比例尺地形制圖要求。研究成果可為無人機(jī)在地形圖測繪及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：航測地形圖; 4D產(chǎn)品; 無人機(jī);攝影測量; 大疆智圖;大疆M300

中圖法分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.005

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0028 - 04

0 引 言

無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)憑借其機(jī)動性、靈活性和安全性、高分辨率、高精度、低成本、短周期、易操作和高效率等優(yōu)勢，在應(yīng)急測繪和監(jiān)測、智慧城市、工程建設(shè)、地理國情監(jiān)測、城鄉(xiāng)規(guī)劃等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。大疆經(jīng)緯M300 RTK多旋翼無人機(jī)是大疆創(chuàng)新公司2020年發(fā)布的一款具備六向定位避障與可視化飛行輔助界面的無人機(jī)，滿足IP45防護(hù)等級，支持55 min超長續(xù)航和最遠(yuǎn)15 km圖傳距離，可同時(shí)支持3個(gè)有效負(fù)載。同時(shí)，其2.7 kg的載荷也可以搭載輕型的激光雷達(dá)。另外，其雙控模式便于帶狀地形圖測量時(shí)的控制交接，給作業(yè)管理和規(guī)劃帶來了便利[4]。Zenmuse-P1采用全畫幅尺寸傳感器的相機(jī)負(fù)載，可更換定焦鏡頭和三軸云臺，實(shí)現(xiàn)更大的畫幅和更精準(zhǔn)的時(shí)間同步，畫質(zhì)與精度更高，有效像素4 500萬。搭配經(jīng)緯 M300 RTK 和大疆智圖軟件，帶來高精度、高效率、一體化的航測解決方案[5]。本文利用M300 RTK作為搭載平臺，搭載 Zenmuse-P1相機(jī)對某水庫及周邊范圍進(jìn)行外業(yè)航空攝影，采用大疆智圖軟件進(jìn)行空三加密處理，得到研究區(qū)域的三維模型、DOM及點(diǎn)云等信息，將處理得到的內(nèi)業(yè)成果與利用RTK實(shí)測的外業(yè)成果進(jìn)行比對和精度評定分析，闡述了低空無人機(jī)不同航高對航測地形圖精度的影響。

1 實(shí)際應(yīng)用研究

1.1 研究區(qū)域

本次研究區(qū)域選擇位于湖北省鄂州市境內(nèi)的某水庫及離庫岸200 m范圍內(nèi)。該水庫是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖、休閑旅游的綜合性水利樞紐。水庫為中型水庫，防洪標(biāo)準(zhǔn)按100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，500 a一遇洪水校核。測區(qū)屬于低山丘陵地貌，區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高差約125 m。東西長約1.2 km，南北寬約1 km。測區(qū)內(nèi)分布有大壩、水庫、公路、河流、農(nóng)田、居民地、公共設(shè)施等。本次航攝選擇在空域條件良好，晴朗、能見度好的條件下進(jìn)行，采用大疆M300和Zenmuse-P1相機(jī)對該區(qū)域進(jìn)行4個(gè)相對高度的航飛，航高分別為150，250，350，450 m。然后將通過內(nèi)業(yè)軟件處理后得到的成果與在現(xiàn)場實(shí)測的檢查點(diǎn)進(jìn)行比較和分析，得到在同區(qū)域、同設(shè)備、同飛行環(huán)境條件下，不同航高得到的結(jié)果對地形圖成圖精度的影響。

1.2 航測技術(shù)流程

基于無人機(jī)的航空攝影測量技術(shù)流程如圖1所示，主要包含數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)處理兩個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)獲取包括資料收集及分析、航線規(guī)劃、航空攝影作業(yè)、獲取無人機(jī)航拍原始影像和POS數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查。內(nèi)業(yè)處理包括利用大疆智圖軟件進(jìn)行空中三角測量、后得到研究區(qū)域的三維模型、DOM，DEM，DLG等數(shù)字產(chǎn)品。最后通過質(zhì)量檢查后提交成果。

1.3 飛行參數(shù)比對

根據(jù)本研究實(shí)際情況，對研究區(qū)域布設(shè)航線，不同航高飛行參數(shù)如表1所示。

1.4 檢查點(diǎn)布設(shè)及測量

為了精度評定及分析需要，在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)85個(gè)點(diǎn)，如圖2所示，檢查點(diǎn)除水庫水域范圍外均勻分布在整個(gè)測區(qū)。檢查點(diǎn)測量按照RTK圖根點(diǎn)地形測量要求，檢查點(diǎn)標(biāo)志和做普通像控點(diǎn)標(biāo)志一致，在地面利用羊毛刷和白色油漆涂刷以利于內(nèi)業(yè)判讀，一般做L型或十字型，能達(dá)到在無人機(jī)拍攝影像上清晰判讀的要求。儀器經(jīng)過控制點(diǎn)校正，經(jīng)檢查，平面和高程誤差均在5 mm以內(nèi)，校正完后對每個(gè)檢查點(diǎn)用對中支架固定儀器，在RTK固定解模式下逐個(gè)進(jìn)行測量后得到檢查點(diǎn)坐標(biāo)。本次研究采用CGCS2000坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)。

1.5 航空攝影作業(yè)及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在申請空域完成的前提下，航空攝影作業(yè)應(yīng)盡量選擇晴朗、能見度好的天氣進(jìn)行航攝。為了確保經(jīng)緯M300 RTK安全和解算穩(wěn)定，選擇空曠位置起飛，同時(shí)起飛位置盡量選擇通訊網(wǎng)絡(luò)信號較好的地方，避免電磁干擾、遮擋干擾比較嚴(yán)重的區(qū)域。另外，確保遙控器與飛行器連接良好，否則會影響后期解算精度。完成拍攝后，人工檢查影像成像質(zhì)量，如亮度、清晰度、色調(diào)、紋理等，同時(shí)需要將獲取的原始POS數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及處理，以備后續(xù)軟件處理。

獲取原始影像及POS數(shù)據(jù)后，將原始影像及POS導(dǎo)入大疆智圖軟件，設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，然后導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)后選擇好輸出的內(nèi)容，包括三維模型格式、點(diǎn)云、輸出坐標(biāo)系統(tǒng)等信息，完成后提交進(jìn)行空三處理和三維模型重建等工作。成果經(jīng)過內(nèi)業(yè)解譯人員人工處理及采集可得到該區(qū)域的DOM，DEM，DLG等4D數(shù)字產(chǎn)品。

2 精度評定及分析

為了評定不同航高對地形圖精度的影響，采用人機(jī)交互方式檢查，在CASS10.1軟件中利用CASS3D加載三維模型，分別在4個(gè)不同航高生成的三維模型上獲取所有外業(yè)布設(shè)的檢查點(diǎn)坐標(biāo)和高程。然后與外業(yè)實(shí)測的85個(gè)檢查點(diǎn)經(jīng)過對比和分析，剔除以下3種由外界環(huán)境產(chǎn)生誤差較大的點(diǎn)：① 由于樹木、建筑物等遮擋導(dǎo)致成圖模型中無法讀取地面點(diǎn)坐標(biāo)和高程;② 檢查點(diǎn)標(biāo)志被人為破壞，無法準(zhǔn)確獲取地面點(diǎn)位置;③ 由于天氣原因下雨后導(dǎo)致庫區(qū)水位上漲將布設(shè)檢查點(diǎn)淹沒。剔除后，將剩余的點(diǎn)隨機(jī)選取38個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測檢查點(diǎn)和量測坐標(biāo)比對，詳細(xì)平面和高程的比對結(jié)果如表2所示。通過計(jì)算，航高為150 m的點(diǎn)位中誤差為[σxy]=±0.031 m，高程中誤差[σz=]±0.028 m;航高為250 m的點(diǎn)位中誤差為[σxy]=±0.041 m，高程中誤差[σz=]±0.032 m;航高為350 m的點(diǎn)位中誤差為[σxy]=±0.055 m，高程中誤差[σz=]±0.046 m;航高為450 m的點(diǎn)位中誤差為[σxy]=±0.077 m，高程中誤差[σz=]±0.059 m，以上數(shù)據(jù)表明本次實(shí)驗(yàn)4種不同航高航拍處理后所得到的精度完全能滿足1∶1 000數(shù)字測圖要求[6]。根據(jù)表2和所計(jì)算中誤差可以得到以下結(jié)論：① 以經(jīng)緯M300 RTK無人機(jī)和禪司P1相機(jī)為載荷拍攝的航高150，250，350和450 m所獲取的數(shù)據(jù)得到的精度總體比較理想，平面和高程精度小有差異，可以滿足大比例地形圖測圖要求。② 在成像條件相同、航高相對較低的條件下，得到的精度相對較高，而隨著航高增加，所得到的成果精度呈逐漸下降趨勢。

3 結(jié) 語

利用當(dāng)前較先進(jìn)的大疆經(jīng)緯M300多旋翼無人機(jī)作為載體搭載禪司P1相機(jī)對某水庫進(jìn)行航空攝影測量，對該水庫同一區(qū)域不同航高（分別為150，250，350，450 m）進(jìn)行拍攝。將所獲取的影像數(shù)據(jù)處理后的成果與實(shí)地RTK測繪的成果進(jìn)行了對比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：① 4 500萬高像素拍攝4種不同航高所得到成果精度都較高，能夠滿足植被較少區(qū)域大比例尺地形制圖需求;② 在相同成像條件下，于航高相對較低處拍攝，得到的精度相對較高，而隨著航高增加，所得到的成果精度呈逐漸下降趨勢。

從該研究而言，基于無人機(jī)不同航高的航測結(jié)果具有科學(xué)性，可靠性，精度高等優(yōu)勢和特點(diǎn)。但是，本文以下問題值得商榷和探討：① 本研究區(qū)域所得到的精度是在裸露地面的精度，而對于有植被和遮擋物位置的高程仍然無法準(zhǔn)確獲取，只能通過借助三維模型及人工經(jīng)驗(yàn)來判讀，若需一次性獲取植被、遮擋物等的高程，需要更先進(jìn)和更高配置的激光雷達(dá)來解決該瓶頸問題，這也是下一步需要解決的問題和方向。② 本次研究所獲得的成果總體而言精度比較高，但是外業(yè)航空攝影和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理利用的均是大疆創(chuàng)新科技公司的硬件和軟件，未利用其他攝影測量軟件，如ContextCapture，Pix4D，Inpho等對該次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具有一定的局限性。③ 由于M300無人機(jī)最高限高為500 m，倘若利用該無人機(jī)測1∶5 000或1∶10 000地形圖時(shí)，雖然可滿足精度要求，但是相對固定翼無人機(jī)而言，飛行效率還是比較低。小比例尺地形圖低空數(shù)字航空攝影仍需要固定翼無人機(jī)來航測，在條件允許的情況下，利用免像控固定翼垂直起降無人機(jī)為最佳選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王洛飛. 無人機(jī)低空攝影測量在城市測繪保障中的應(yīng)用前景[J]. 測繪與空間地理信息，2014（2）：217-219，222.

[2] 朱正榮，李少龍. 無人機(jī)攝影測量用于大比例尺地形圖測繪的實(shí)踐[J]. 測繪標(biāo)準(zhǔn)化，2014（1）：23-26.

[3] 謝運(yùn)廣. 無人機(jī)傾斜攝影測量在大比例尺地形圖中的應(yīng)用和精度分析[J]. 測繪與空間地理信息，2021（3）：195-197，200.

[4] 經(jīng)緯M300RTK技術(shù)參數(shù)[EB/OL]. https：//www.dji.com/cn/matrice-300/specs.

[5] 禪司P1介紹[EB/OL]. https：//www.dji.com/cn/zenmuse-p1/video.

[6] GB/T 14912-2005 1：500，1：1 000，1：2 000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程[S].

（編輯：唐湘茜）