基于固定翼航測無人機(jī)的城市建成區(qū)地形圖快速更新

杜沖　趙慧　朱磊　李楠

摘要：城市建成區(qū)是城市建設(shè)發(fā)展在地域分布上的客觀反映，是智慧城市建設(shè)的主要區(qū)域。針對城市建成區(qū)地物信息豐富、區(qū)域面積較大等特點(diǎn)，提出利用國產(chǎn)固定翼航測無人機(jī)獲取城市建成區(qū)高分辨率影像數(shù)據(jù)，完成建成區(qū)1∶500大比例尺地形圖快速更新的技術(shù)方法，并對成果精度和作業(yè)效率進(jìn)行檢測對比。結(jié)果表明，該方法在城市建成區(qū)地理信息快速更新中具有較好適用性。

關(guān)鍵詞：固定翼航測無人機(jī)；城市建成區(qū)；實(shí)景三維模型；大比例尺地形圖

中圖分類號：P235.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.009

0引言

智慧城市建設(shè)可以提升城市發(fā)展質(zhì)量和管理水平，是城市信息化深入發(fā)展的必然趨勢。地理信息數(shù)據(jù)是建設(shè)智慧城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［1］，通過構(gòu)建城市地理信息庫，擴(kuò)展智慧城市時(shí)空信息云服務(wù)平臺，能有效推進(jìn)城市智慧化成長，輔助城市的信息化建設(shè)。地理信息數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的現(xiàn)勢性需求［2］，隨著城市建成區(qū)規(guī)模的快速發(fā)展以及信息化建設(shè)步伐的加快，作為地理信息數(shù)據(jù)獲取重要手段的無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。

低空無人機(jī)遙感技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、高分辨率、高時(shí)效性和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢［3］，利用無人機(jī)獲取小面積傾斜影像構(gòu)建實(shí)景三維模型的技術(shù)已相對成熟［49］。在利用無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用方面，一些學(xué)者探討了利用小型消費(fèi)級旋翼無人機(jī)進(jìn)行大比例尺地形圖制作的技術(shù)方法［1012］，以及無人機(jī)在土地儲(chǔ)備分析、古建筑數(shù)字化、露天礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害分析、水電工程應(yīng)用等不同場景的具體應(yīng)用［1318］，豐富了無人機(jī)在地理信息領(lǐng)域的深度融合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

城市建成區(qū)是城市建設(shè)發(fā)展在地域分布上的客觀反映，是智慧城市建設(shè)的主要區(qū)域，具備較完善的居住及市政公用設(shè)施，區(qū)域面積相對較大。建成區(qū)內(nèi)高層建筑較多，地物類型復(fù)雜多樣，在進(jìn)行地形圖更新作業(yè)時(shí)，傳統(tǒng)的低空小型旋翼無人機(jī)已無法滿足高效率任務(wù)需求。針對城市建成區(qū)大比例尺地形圖更新時(shí)作業(yè)面積大、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性需求高的特點(diǎn)，本文探討基于國產(chǎn)垂直起降固定翼航測無人機(jī)的高精度地形圖更新方法，最后通過工程實(shí)例對成果精度和作業(yè)效率進(jìn)行了檢測對比。

1固定翼航測無人機(jī)系統(tǒng)

選用國產(chǎn)“大鵬”CW30垂直起降固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)作為城市建成區(qū)影像數(shù)據(jù)獲取平臺。該系統(tǒng)由無人機(jī)、數(shù)碼傳感器、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及配套軟件等組成。CW30無人機(jī)為雙尾撐布局、后推式油電混動(dòng)垂直起降固定翼無人機(jī)，具有全自主飛行、航時(shí)長、速度快、載荷大、搭載設(shè)備多元化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。其性能參數(shù)見表1。

CW－30搭載的CA－503全畫幅傾斜相機(jī)是目前在中小型無人機(jī)上應(yīng)用像素較大的，最小曝光間隔達(dá)0.6s，集成4個(gè)傾斜鏡頭和1個(gè)正射鏡頭，下視焦距為35mm，傳感器尺寸為35.9mm×24mm，總像素達(dá)2.1億。相對于小型旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定以及作業(yè)面積較小等不利特點(diǎn)［19］，CW30無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間長、飛行速度快等優(yōu)勢，可滿足城市建成區(qū)地形圖更新時(shí)的數(shù)據(jù)獲取任務(wù)需求。

2建成區(qū)大比例尺地形圖更新方案

采用CW30無人機(jī)獲取建成區(qū)傾斜影像數(shù)據(jù)，基于此創(chuàng)建實(shí)景三維模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大比例尺地形圖測圖工作，完成建成區(qū)地形圖數(shù)據(jù)獲取與更新。具體流程為：

（1）數(shù)據(jù)獲取。在獲取地理信息數(shù)據(jù)時(shí)，首先利用CW－30無人機(jī)專業(yè)航線設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建成區(qū)航線設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)，需要對作業(yè)區(qū)進(jìn)行一定程度的范圍外擴(kuò)，以保證三維模型完整覆蓋攝區(qū)。外擴(kuò)距離計(jì)算公式如式（1）所示：

L=h×tanθ （1）

式中：L為外擴(kuò)距離；h為航高；θ為傾斜相機(jī)的傾斜角度。

（2）數(shù)據(jù)處理與建模。無人機(jī)航飛作業(yè)完成后，下載影像數(shù)據(jù)和機(jī)載POS數(shù)據(jù)，利用地面基站進(jìn)行POS差分解算，得到影像外方位元素。采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案布設(shè)像控點(diǎn)并測量。使用專業(yè)三維建模軟件生成建成區(qū)實(shí)景三維模型，并得到最新的正射影像圖成果（DOM）。

（3）更新建庫。利用生成的實(shí)景三維模型進(jìn)行三維測圖，結(jié)合已有數(shù)據(jù)資料和最新DOM成果完成大比例尺地形圖數(shù)據(jù)更新，并對成果質(zhì)量進(jìn)行檢測，最后進(jìn)行修補(bǔ)測量與編輯入庫。

3工程實(shí)例

試驗(yàn)區(qū)域位于山東省日照市莒縣。為支持莒縣城區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新工作，利用CW30垂直起降固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)，快速獲取莒縣建成區(qū)面積約65.7km2分辨率0.05m的傾斜影像，基于此構(gòu)建實(shí)景三維模型，完成成圖比例尺為1∶500的城區(qū)地形圖數(shù)據(jù)更新工作。試驗(yàn)區(qū)已有數(shù)據(jù)和需要更新范圍如圖1所示。

3.1數(shù)據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)

使用CW30無人機(jī)地面站控制軟件CWCommander進(jìn)行航線任務(wù)規(guī)劃、狀態(tài)姿態(tài)檢查、參數(shù)設(shè)置及任務(wù)執(zhí)行等操作。為滿足基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)高精度更新要求，旁向重疊度和航向重疊度分別按75%、80%設(shè)計(jì)，分辨率按0.045m設(shè)計(jì)，飛行絕對高度為349m，可滿足城區(qū)航拍作業(yè)的安全高度要求。根據(jù)攝區(qū)形狀特點(diǎn)，將攝區(qū)劃分為1個(gè)分區(qū)，航線方向按照東西方向敷設(shè)。

3.2數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

（1）無人機(jī)飛行實(shí)施。在確定攝區(qū)范圍及分辨率要求之后，執(zhí)行固定翼無人機(jī)獲取莒縣建成區(qū)傾斜影像數(shù)據(jù)任務(wù)，經(jīng)過設(shè)備調(diào)試、空域申請、航飛作業(yè)、數(shù)據(jù)下載等步驟，獲得傾斜影像數(shù)據(jù)和對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)下載及預(yù)處理。飛行任務(wù)結(jié)束后，下載獲取的原始影像數(shù)據(jù)及機(jī)載POS數(shù)據(jù)。利用CW30無人機(jī)POS解算軟件JoPPS，將地面基站數(shù)據(jù)與機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，得到獲取影像數(shù)據(jù)的外方位元素。

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。查看獲取的影像數(shù)據(jù)的清晰度、分辨率及飽和度情況，查看有無大面積云、煙、反光、污點(diǎn)等情況，并確定影像質(zhì)量是否影響后序生產(chǎn)。利用專業(yè)框幅式航空攝影質(zhì)量自動(dòng)檢查系統(tǒng)軟件，檢查航線重疊度、彎曲度、覆蓋度等飛行質(zhì)量參數(shù)。

3.3像控點(diǎn)布設(shè)與測量

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，按照不高于10000像素間隔均勻布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)不能有明顯地物遮擋，需保證相鄰攝站的照片均能看到像控點(diǎn)。在確保模型精度的情況下，共布設(shè)像控點(diǎn)585個(gè)，用于空三加密和檢測空三精度。采用基于SDCORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)測量，控制點(diǎn)及檢測點(diǎn)測量嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行，并制作點(diǎn)之記。

3.4三維模型構(gòu)建

利用專業(yè)三維建模軟件，采用自動(dòng)化建模技術(shù)制作完成實(shí)景三維模型并生成相應(yīng)范圍的DOM。主要步驟包括特征點(diǎn)提取、相對定向、添加控制點(diǎn)、絕對定向、模型創(chuàng)建和修飾等。試驗(yàn)區(qū)三維模型瓦片大小設(shè)置為250m×250m，輸出所需瓦片共計(jì)1618個(gè)。三維模型成果截圖如圖2所示。同時(shí)，輸出數(shù)字正射影像成果，格式為*.tif+*.tfw，成果分辨率為0.05m。圖2實(shí)景三維模型成果截圖劃定8個(gè)檢測區(qū)，對三維模型成果精度進(jìn)行檢測。以某檢測區(qū)為例，用網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)測30個(gè)地物點(diǎn)，并與實(shí)景三維解析同名點(diǎn)進(jìn)行精度對比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，滿足相關(guān)規(guī)范要求［19］，可用于后續(xù)地形圖更新生產(chǎn)。

3.5地形圖數(shù)據(jù)更新

在原有地形圖數(shù)據(jù)及生成的實(shí)景三維模型成果上，利用專業(yè)地理信息工作站軟件中進(jìn)行裸眼三維測圖，完成大比例尺地形圖更新。

具體步驟為：

（1）基于新制作0.05m分辨率的DOM，疊加已有1∶500比例尺數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)判讀方式，發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域。

（2）基于實(shí)景三維模型成果，采用裸眼立體采集的方式對已有數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的變化區(qū)域或表達(dá)錯(cuò)誤要素進(jìn)行修補(bǔ)測更新；對沒有數(shù)據(jù)的新增區(qū)域，根據(jù)實(shí)景三維模型進(jìn)行全要素?cái)?shù)據(jù)采集。

（3）對內(nèi)業(yè)無法判讀的地物，通過外業(yè)調(diào)繪進(jìn)行實(shí)地核實(shí)確認(rèn)，最后對地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行修改整飾。

（4）對完成更新的DLG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，包括更新采集過程與數(shù)據(jù)成果結(jié)構(gòu)及精度等，最終完成莒縣建成區(qū)1∶500地形圖最新工作。更新后的數(shù)據(jù)成果截圖如圖3所示。

3.6精度檢測

分區(qū)域抽取檢測點(diǎn)進(jìn)行精度檢測。以某區(qū)域?yàn)槔?，均勻散點(diǎn)平面點(diǎn)及高程點(diǎn)各50個(gè)，經(jīng)過全野外實(shí)測檢核，對同名點(diǎn)進(jìn)行精度比對，結(jié)果如表3所示。經(jīng)對比計(jì)算，平面位置最大誤差為0.369m，最小誤差為0.014m，中誤差為0.096m；地物點(diǎn)高程最大誤差0.353m，最小誤差0.042m，中誤差0.105m，所生產(chǎn)的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)具有較高精度，滿足地理信息數(shù)字成果相關(guān)規(guī)范要求［20］。

3.7作業(yè)效率對比

此試驗(yàn)區(qū)地形圖更新作業(yè)效率主要受數(shù)據(jù)獲取效率的影響。將CW30系統(tǒng)與某小型航測型旋翼無人機(jī)系統(tǒng)、某國產(chǎn)大型傾斜航攝儀系統(tǒng)做比較，在相同作業(yè)面積和數(shù)據(jù)獲取參數(shù)要求下，充分考慮天氣、空域等其他因素影響，對其他2種航攝系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間值進(jìn)行修正，得到作業(yè)效率對比情況（表4）（其中，根據(jù)作業(yè)面積及分辨率要求，大型傾斜航攝儀選用直升機(jī)作為搭載平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)）。從表4可知，此大型傾斜航攝儀在單位時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)獲取面積最大，工作效率最高。但其飛機(jī)租賃費(fèi)等成本花費(fèi)往往比無人機(jī)系統(tǒng)高很多。

定義獲取單位面積的數(shù)據(jù)所需費(fèi)用和時(shí)間的乘積值為其作業(yè)效率的參考值，稱為“單位效率費(fèi)用值”，其計(jì)算公式見式（2）。

E=C／S/t （2）

式中：E為單位效率費(fèi)用值（萬元·h/km²）；C為任務(wù)完成費(fèi)用值（萬元），在不考慮設(shè)備折舊情況下，其值為人工費(fèi)用、飛機(jī)租賃費(fèi)用等的和值；S為作業(yè)區(qū)面積（km²）；t為飛行作業(yè)時(shí)間（h）。

根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)值可得此旋翼無人機(jī)系統(tǒng)和大型傾斜航攝儀系統(tǒng)在此試驗(yàn)中的預(yù)估架次和工作周期，進(jìn)而得出其任務(wù)完成預(yù)估費(fèi)用。據(jù)式（2）可得3種系統(tǒng)的單位效率費(fèi)用情況。經(jīng)計(jì)算可知，在進(jìn)行莒縣建成區(qū)地形圖更新數(shù)據(jù)獲取任務(wù)時(shí)，CW30無人機(jī)系統(tǒng)單位效率費(fèi)用值最低，能達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和工作效率的最佳結(jié)合，具有較好的工程實(shí)施適用性。

4結(jié)語

通過日照市莒縣城區(qū)1∶500地形圖更新實(shí)例，分析了利用國產(chǎn)垂直起降固定翼無人機(jī)CW30獲取面積較大區(qū)域的傾斜影像數(shù)據(jù)，并構(gòu)建實(shí)景三維模型用于高精度地理信息快速更新的技術(shù)流程，最后對更新成果進(jìn)行了檢測。相對于小型旋翼無人機(jī)，CW30航測無人機(jī)系統(tǒng)具有飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定、續(xù)航時(shí)間更長等優(yōu)勢；相對于大型航攝儀，CW30系統(tǒng)具有操作簡單、作業(yè)成本較低的優(yōu)勢。該技術(shù)方法在城市建成區(qū)地形圖數(shù)據(jù)快速獲取更新時(shí)具有較高的效率和較好的適用性。生成的數(shù)據(jù)成果精度較高，可滿足智慧城市重要區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)更新的需求，對智慧城市建設(shè)的具體實(shí)施具有參考意義。

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Rapid Update of Topographic Map of Urban Built-up Area

Based on Fixed-wing Mapping UAV

DU Chong ZHAO Hui ZHU Lei LI Nan

（1.Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250102， China; 2.Shandong Institute of Geological Sciences， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：The urban built-up area is the objective reflection of regional distribution of urban construction and development， and is the main area of smart city construction.In view of the characteristics of the urban built-up area， such as rich terrain information and large area. In this paper， technical method of using domestic fixed-wing mapping UAV to obtain urban high-resolution image data has been put forward. Rapid update of topographic map of the built-up area with the scale of 1∶500 has been completed， and the accuracy of the results has been tested. It is showed that this method has good applicability in rapid updating of geographic information in urban built-up areas.

Key words：Fixed-wing mapping UAV; urban built-up area; real scene 3D model; large scale topographic map