基于無(wú)人機(jī)在測(cè)繪成果質(zhì)檢中的應(yīng)用

馮偉 孟煌 何引蘭

摘? 要：基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)繪成果質(zhì)檢的新方法，通過(guò)對(duì)數(shù)字地形圖成果和實(shí)景三維模型成果的質(zhì)檢，總結(jié)出一套新的檢驗(yàn)流程。在精度方面滿足國(guó)家規(guī)范要求，在效率方面大幅提高，為測(cè)繪成果質(zhì)檢提供一種新的思路。

關(guān)鍵詞：實(shí)景三維模型;數(shù)字地形圖;數(shù)學(xué)精度;機(jī)查

引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代，地理信息數(shù)據(jù)量越來(lái)越大、更新速度頻率越來(lái)越快、承載的信息量也越來(lái)越多，地理信息獲取手段日新月異，無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星遙感、激光掃描等等各種新技術(shù)廣泛應(yīng)用，如何快速準(zhǔn)確的對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)、評(píng)估分析目前發(fā)展較慢，不能滿足現(xiàn)在按需測(cè)繪的質(zhì)檢需求。無(wú)人機(jī)做為搭載各種傳感器的平臺(tái)在地理信息獲取方面已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛了，怎樣把無(wú)人機(jī)這種獲取信息的方法應(yīng)用于測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)檢，使其為測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)檢服務(wù)，提高效率，減少人工工作強(qiáng)度，目前還處于探索階段。本次研究通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載遙感設(shè)備，對(duì)樣本區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、提取、比對(duì)。嘗試用新的技術(shù)手段來(lái)提高質(zhì)檢效率、減輕質(zhì)檢工作量、提高質(zhì)檢速度。

一、平臺(tái)選取

目前市面上的無(wú)人機(jī)種類(lèi)多樣、各有優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比選取，這次選用大疆經(jīng)緯M300RTK飛行平臺(tái)（見(jiàn)圖1）做為此時(shí)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，M300RTK 位置精度在 RTK FIX 時(shí)：1 cm+1 ppm（水平）、1.5 cm + 1 ppm（垂直），平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性也都處于最前列。相機(jī)選用DJI P1（見(jiàn)圖2），DJI P1是一款高性能、多用途的航測(cè)負(fù)載平臺(tái)，集成了全畫(huà)幅4500萬(wàn)圖像傳感器與三足云臺(tái)，支持多款鏡頭。DJI P1搭配和大疆智圖后期處理軟件，一體化程度較高，作業(yè)效率單架次3平方公里，在免像控的情況下平面精度3公分，高程精度5公分。

二、技術(shù)路線

本次選取數(shù)字地形圖和實(shí)景三維模型作為檢驗(yàn)比對(duì)像。野外數(shù)據(jù)采集與處理。采用DJI P1經(jīng)緯M300RTK飛行平臺(tái)獲取試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)。經(jīng)大疆智圖后期處理成實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。對(duì)相同區(qū)域數(shù)字地形圖成果和實(shí)景三維成果分別由四名檢驗(yàn)人員分兩組同時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)。一組采用傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法，包含內(nèi)業(yè)人機(jī)交互檢查、外業(yè)檢查與精度檢測(cè)、檢查問(wèn)題整理、質(zhì)量評(píng)定。另一組采用無(wú)人機(jī)野外數(shù)據(jù)獲取與處理（包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與提取，三維實(shí)景模型生產(chǎn)與數(shù)據(jù)提取）、數(shù)據(jù)比對(duì)、問(wèn)題整理、質(zhì)量評(píng)定。檢驗(yàn)情況比對(duì)。主要是分析兩種檢驗(yàn)方法的工作強(qiáng)度、作業(yè)效率、檢查質(zhì)量、時(shí)效性四個(gè)方面。通過(guò)設(shè)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)和體系，比對(duì)單項(xiàng)效果及整體效果。方法評(píng)估。對(duì)采用新手段的檢驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估分析總結(jié)。技術(shù)路線如下（見(jiàn)圖3）：

三、實(shí)驗(yàn)路線

1.項(xiàng)目概況

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目位于?？谑协偵絽^(qū)大致坡鎮(zhèn)烏石村，成果包含1：500數(shù)字地形圖和實(shí)景三維模型成果，面積約1.5平方公里。測(cè)區(qū)為農(nóng)村區(qū)域，地勢(shì)平坦，農(nóng)村居民地密集，道路交通便利，植被茂密。具有典型的海南地貌特征。

根據(jù)GB/T 18316-2008 《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》和GB/T 24356-2009 《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，數(shù)字地形圖詳查的質(zhì)量元素為：數(shù)學(xué)精度、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性、地理精度、整飾質(zhì)量、附件質(zhì)量。實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量元素為：數(shù)學(xué)精度、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性、位置精度、紋理質(zhì)量、附件質(zhì)量。分析兩種成果的詳查質(zhì)量元素，主要采用內(nèi)外業(yè)人工比對(duì)和機(jī)查的方式。

2.質(zhì)檢的實(shí)施

（1）樣本抽取

根據(jù)測(cè)區(qū)的特點(diǎn)，兼顧均勻分布的原則，抽取4幅1：500的圖幅作為詳查的樣本。包含數(shù)字地形圖成果和實(shí)景三維模型成果，本次采用隨機(jī)抽樣。

（2）樣本檢查

先對(duì)樣本進(jìn)行內(nèi)業(yè)檢查，對(duì)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性、整飾質(zhì)量、附件質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行質(zhì)檢，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的問(wèn)題。

（3）比對(duì)數(shù)據(jù)外業(yè)采集

根據(jù)測(cè)區(qū)的情況，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4），此次實(shí)驗(yàn)涉及的圖幅是4幅1：500的數(shù)字地形圖和實(shí)景三維模型成果，為保證成果邊緣的精度，航線設(shè)計(jì)時(shí)外擴(kuò)50米。測(cè)區(qū)內(nèi)有農(nóng)村居民地、道路，植被茂密，地勢(shì)平坦。

為了比對(duì)無(wú)像控和有像控兩種處理方式最后的精度，此次布設(shè)地標(biāo)，進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)為了在測(cè)區(qū)均勻布設(shè)50個(gè)檢查點(diǎn)。導(dǎo)入測(cè)區(qū)方位，航線規(guī)劃軟件DJI Pilot規(guī)劃出測(cè)圖需要航飛1個(gè)架次，航高120米，實(shí)際航飛共耗時(shí)23分鐘，獲得239張航片。

（4）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

此次內(nèi)業(yè)處理軟件采用大疆智圖測(cè)繪版進(jìn)行模型處理，大疆智圖是一款提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的 PC 應(yīng)用軟件，一站式解決三維模型建，在提高效率方面效果明顯（見(jiàn)圖5）。在無(wú)像控的情況下239張片子從導(dǎo)入到三維實(shí)景模型輸出，共耗時(shí)2.2個(gè)小時(shí)。第二次在導(dǎo)入像控點(diǎn)的情況下進(jìn)行處理，耗時(shí)2.4個(gè)小時(shí)。

從模型（見(jiàn)圖6）的實(shí)際效果來(lái)看，模型紋理清晰，建筑物棱角分明，無(wú)缺失，植被類(lèi)型清晰可見(jiàn)，基本類(lèi)型都可判讀，滿足數(shù)據(jù)比對(duì)要求。根據(jù)外業(yè)50個(gè)分布均勻的檢查點(diǎn)對(duì)模型精度進(jìn)行檢測(cè)，得到無(wú)像控點(diǎn)參與處理的模型中誤差為±1.85CM，有像控點(diǎn)參與處理的模型進(jìn)度為±2.03CM。分析原因?yàn)椴糠窒窨攸c(diǎn)的精度影響了模型的整體精度，在實(shí)際使用中大疆M300RTK無(wú)人機(jī)平臺(tái)在無(wú)像控情況下完全能夠滿足1：500比例尺精度要求。

（5）數(shù)據(jù)精度分析及比對(duì)。

根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)兩種成果的檢驗(yàn)需求，獲取的實(shí)景三維模型成果可以用于檢測(cè)數(shù)字地形圖的數(shù)學(xué)精度、地理精度兩個(gè)質(zhì)量元素。對(duì)實(shí)景三維模型成果，可以檢測(cè)位置精度（見(jiàn)圖7）、紋理質(zhì)量?jī)蓚€(gè)質(zhì)量元素進(jìn)。

（6）檢查效率比對(duì)。

采用無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要目的是提高質(zhì)檢效率，減少人工工作量，因此有必要全面分析此方法與傳統(tǒng)的質(zhì)檢方法在時(shí)間效率上的差異。按照質(zhì)檢經(jīng)驗(yàn)，以大比例尺數(shù)字地形圖為例，五個(gè)質(zhì)量元素：數(shù)學(xué)精度、數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)正確性、地理精度、整飾質(zhì)量、附件質(zhì)量。工作大、強(qiáng)度高，需要外業(yè)檢查的是數(shù)學(xué)精度和地理精度兩項(xiàng)，約占總工作量的80%以上。傳統(tǒng)檢查方法，需要2人一組，進(jìn)行外業(yè)檢查和外業(yè)打點(diǎn)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)檢查組，需2人一組，主要進(jìn)行外業(yè)航攝（見(jiàn)表1）。

在實(shí)際工作中，無(wú)人機(jī)獲取的航攝數(shù)據(jù)量大，內(nèi)業(yè)處理需要時(shí)間長(zhǎng)，但隨著測(cè)區(qū)面積的增加，效率優(yōu)勢(shì)更能顯現(xiàn)出來(lái)，主要體現(xiàn)在外業(yè)的工作強(qiáng)度減輕了90%以上，把靠人的兩條腿走，變成了靠無(wú)人機(jī)飛，而且航飛時(shí)間短，受天氣因素的影響更小了。由表1也可看到，換算成1人1天的情況，效率也提高了4.6倍。

四、結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合具體的質(zhì)檢項(xiàng)目，對(duì)無(wú)人機(jī)在測(cè)繪成果質(zhì)檢中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要有以下研究結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)測(cè)繪項(xiàng)目的質(zhì)檢，工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、人員投入多，尤其是外業(yè)工作量大，并且容易受到天氣等外部因素的影響。無(wú)人機(jī)等技術(shù)除了在測(cè)繪項(xiàng)目生產(chǎn)中被應(yīng)用外，在測(cè)繪質(zhì)檢工作中也能應(yīng)用，而且在提高效率和減少人工方面有顯著的效果;

（2）無(wú)人機(jī)平臺(tái)采集到的高分率實(shí)景三維模型，能在多種測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)檢中進(jìn)行使用，尤其是在數(shù)學(xué)精度檢測(cè)、地理精度檢測(cè)方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì);

（3）無(wú)人機(jī)采集的三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)量大，需要相應(yīng)的生產(chǎn)軟件進(jìn)行加工，才能使用，對(duì)人員的要求高，必須具備生產(chǎn)方面的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn);

（4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出：無(wú)人機(jī)平臺(tái)在測(cè)繪成果質(zhì)檢工作的應(yīng)用可以滿足現(xiàn)有的國(guó)家規(guī)范要求，為質(zhì)檢工作提供了一個(gè)便捷有效的創(chuàng)新方法，下一步探索在更多的測(cè)繪成果質(zhì)檢中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 國(guó)家測(cè)繪局，測(cè)繪成果質(zhì)量檢查驗(yàn)收規(guī)定：GB/T 24356-2009 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：

馮偉（1980.11—）男，漢族，陜西西安人，山東科技大學(xué)，在職研究生學(xué)歷，碩士，高級(jí)工程師，自然資源部海南測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，研究方向：測(cè)繪地理信息新型成果生產(chǎn)研究、質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)等。