萬(wàn)保峰（云南省地礦測(cè)繪院, 昆明 650218）

無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在云南山區(qū)1:2000地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

萬(wàn)保峰
（云南省地礦測(cè)繪院, 昆明 650218）

摘 要：近年來(lái)，無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)發(fā)展很快，已經(jīng)逐步應(yīng)用于測(cè)繪、國(guó)土、林業(yè)、環(huán)保、軍事等眾多領(lǐng)域。本文首先簡(jiǎn)要介紹無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)的組成和作業(yè)流程，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)測(cè)繪山區(qū)地形圖的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)；數(shù)字線劃圖；正射影像圖

0 引言

云南省是一個(gè)山區(qū)省份，其國(guó)土面積94%為山區(qū)，且高差比較大，植被茂盛，采用傳統(tǒng)人工測(cè)量，效率較低，成本較高。隨著全省經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)地形圖的需求更高。使用低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)測(cè)地形圖，作業(yè)效率可以顯著提高，不僅僅能滿足其精度要求，還能同時(shí)提供正射影像圖和測(cè)區(qū)三維立體圖，為后期各項(xiàng)工作的開(kāi)展提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。本文首先通過(guò)實(shí)例介紹無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)測(cè)繪地形圖的作業(yè)流程和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而驗(yàn)證無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)測(cè)繪山區(qū)地形圖的優(yōu)勢(shì)。

1 無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)，利用高分辨率相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像，利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)拍攝和獲取，同時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)壓縮和自動(dòng)傳輸、影像預(yù)處理等功能，是具有高智能化程度、穩(wěn)定可靠的，具有較強(qiáng)作業(yè)能力的低空遙感系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)主要由飛行平臺(tái)、自駕系統(tǒng)、航攝系統(tǒng)和后期相關(guān)處理軟件組成。

1.1 飛行平臺(tái)

本文所述無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為國(guó)遙萬(wàn)維公司生產(chǎn)的“快眼Ⅱ型”無(wú)人機(jī)，機(jī)長(zhǎng)1.8 m，翼展2.3 m，機(jī)高0.49 m，安全飛行海拔高度不高于4500 m，續(xù)航時(shí)間約1.5h-2.0h，巡航速度為108 km/h，載重5 kg,起降方式為滑跑或者彈射傘降。

1.2 自駕系統(tǒng)

自駕系統(tǒng)采用普洛特?zé)o人飛行器科技有限公司的UP30飛控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含：機(jī)載飛控、地面站、通訊設(shè)備。作為無(wú)人機(jī)的飛行控制核心設(shè)備，其主要任務(wù)是利用GPS等導(dǎo)航定位信號(hào)，通過(guò)測(cè)定無(wú)人機(jī)在飛行中的俯仰、橫滾、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收處理地面發(fā)射的測(cè)控信息，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，控制無(wú)人機(jī)按照預(yù)定的航跡飛行，使其具有自主智能超視距飛行的能力。地面控制系統(tǒng)軟件在無(wú)人機(jī)飛行前進(jìn)行任務(wù)航線規(guī)劃，在飛行過(guò)程中顯示飛行區(qū)域的航跡、電子地圖以及飛行參數(shù)和飛機(jī)的姿態(tài)等參數(shù)。飛行過(guò)程中,所有飛行參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)下傳。操作者可在地面計(jì)算機(jī)上監(jiān)視飛行狀態(tài)，可根據(jù)航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整來(lái)控制各種任務(wù)的執(zhí)行。

1.3 航拍攝像系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載的航攝儀有佳能5D MΑRK系列、尼康D800系列、飛思和哈蘇等一系列航攝儀。但從安全和經(jīng)濟(jì)角度，市場(chǎng)上主要用佳能5D和尼康D800系列，鏡頭一般有：24mm、35mm和50mm定焦鏡頭。本項(xiàng)目采用佳能Canon EOS 5D Mark III和24 mm定焦鏡頭。

1.4 影像處理軟件

目前市場(chǎng)上無(wú)人機(jī)影像處理的軟件比較多，本項(xiàng)目影像后期處理軟件采用武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的DP-Grid低空航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，立體采集、編輯成圖采用適普公司的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量 VirtuoZo和清華山維的EPS軟件完成。

2 生產(chǎn)作業(yè)流程

低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)作業(yè)流程分為航攝外業(yè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

2.1 航攝外業(yè)流程

與傳統(tǒng)航測(cè)相同，低空無(wú)人機(jī)航攝同樣需要進(jìn)行航線設(shè)計(jì)、航攝飛行、質(zhì)量檢查、補(bǔ)飛或重飛、像控測(cè)量等步驟。所不同的是，無(wú)人機(jī)航攝的航線設(shè)計(jì)由于面積小，故無(wú)需考慮地球曲率的變化；航攝質(zhì)量的檢查在航攝現(xiàn)場(chǎng)就能完成。

圖1 航攝外業(yè)作業(yè)流程

2.2 航攝內(nèi)業(yè)流程

航攝內(nèi)業(yè)流程如圖2所示，其中DLG制作采用“先內(nèi)后外”的作業(yè)方式。先內(nèi)業(yè)后外業(yè)的作業(yè)流程是先在室內(nèi)利用已有的影像對(duì)地物實(shí)行判讀和采集，然后再把內(nèi)業(yè)初步生成的DLG 成果疊加到DOM上制作調(diào)繪片，供外業(yè)到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，對(duì)內(nèi)業(yè)的采集結(jié)果進(jìn)行校對(duì)和更正，最后再對(duì)外業(yè)的成果進(jìn)行整理編輯成圖。

圖2 航攝內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以寧洱縣梅子鄉(xiāng)中低產(chǎn)田改造項(xiàng)目地形圖測(cè)繪為例，項(xiàng)目區(qū)最高點(diǎn)海拔1300 m，最低點(diǎn)海拔1000 m，地形比較復(fù)雜，植被主要以灌木、樹林為主。項(xiàng)目區(qū)面積7平方公里。測(cè)區(qū)條件較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，作業(yè)效率較低，所以采用無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)進(jìn)行。

3.1 像控測(cè)量

測(cè)區(qū)主要以樹林和植被為主，不易選像控特征點(diǎn)，故采取先布設(shè)像控，后進(jìn)行無(wú)人機(jī)航拍方式。像控點(diǎn)點(diǎn)位選取原則：選在地形相對(duì)平坦處；無(wú)障礙物和遮擋物；遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁輻射源；交通方便，易于到達(dá)；點(diǎn)位易于制作像控標(biāo)志，不宜被破壞；點(diǎn)位盡量布設(shè)在影像的六度重疊區(qū)域等[2]。像控點(diǎn)為石灰標(biāo)志點(diǎn)，呈十字型，規(guī)格為0.2m×1.5m；像控點(diǎn)測(cè)量采用GPS-RΤK方式測(cè)量。項(xiàng)目區(qū)共布設(shè)70個(gè)點(diǎn)，其中50個(gè)點(diǎn)作為像控點(diǎn)，20個(gè)作為檢查點(diǎn)。

3.2 無(wú)人機(jī)低空航攝

采用佳能Canon EOS 5D Mark III和24 mm定焦鏡頭，相機(jī)分辨率為2200萬(wàn)像素，影像幅面為：5760×3840 pixel，像元大小6.2μm。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形，航攝設(shè)計(jì)為1個(gè)架次，相對(duì)航高600 m，拍照間距200 m，地面分辨率優(yōu)于0.16 m。共獲取有效原始影像650張。

3.3 數(shù)據(jù)后期處理

根據(jù)航飛的情況將數(shù)據(jù)分為3個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行處理，利用DP-grid軟件和其它相關(guān)軟件進(jìn)行后期影像數(shù)據(jù)處理?？杖用芫?，見(jiàn)表1。

表1 各測(cè)區(qū)基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度

絕對(duì)定向完成后，區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差不大于表2規(guī)定。

表2 基本定向點(diǎn)殘差/檢查點(diǎn)誤差最大限值

從以上兩表可以看出，項(xiàng)目區(qū)域涉及的基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)中誤差都小于表2的規(guī)定，絕對(duì)定向精度達(dá)到了1:2000正射影像圖及1:2000數(shù)字線劃圖精度要求。

經(jīng)過(guò)加密后的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)和清華山維采編一體化軟件后，進(jìn)行立體采集，然后進(jìn)行野外調(diào)繪、補(bǔ)測(cè)、編輯，最終成圖。

3.3 成果輸出

通過(guò)以上步驟，最終輸出DOM、DLG和三維立體圖，如圖3、4、5所示。

3.4 精度分析

最終成果精度檢查采用GPS-RΤK和全站儀進(jìn)行實(shí)地打點(diǎn)，平面精度檢查點(diǎn)主要是特征明顯地物點(diǎn)，高程精度檢查點(diǎn)主要是道路交叉口、田坎交叉處、水溝溝底高程等，分布均勻，具有代表性。共檢查平面位置點(diǎn)210個(gè)，中誤差為0.45 m；高程點(diǎn)110個(gè)，中誤差為0.57 m。通過(guò)以上檢測(cè)看出，平面精度和高程精度均滿足規(guī)范對(duì)1：2000地形圖成圖要求。

圖3 DLG成果

圖4 DOM成果

圖5 三維立體成果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)組成、作業(yè)流程及在云南山區(qū)地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在山區(qū)地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)，得到如下結(jié)論：

（1）應(yīng)用無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)制作DLG可以滿足1：2000數(shù)字地形圖測(cè)繪要求。

（2）較傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，大大減少外業(yè)工作量，生產(chǎn)成本降低，作業(yè)效率提高。

（3）采用無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)不僅僅能獲得滿足精度的地形圖，還能獲得正射影像圖和三維立體圖，為后期的規(guī)劃設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)提供了更為直觀的基礎(chǔ)資料。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊潤(rùn)書，吳亞鵬，李加明，萬(wàn)保峰.無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)及應(yīng)用前景[J].地礦測(cè)繪,2011,27(01):8-9.

[2]謝建春.利用無(wú)人飛艇獲取的影像資料制作DOM的實(shí)踐[J].山東省國(guó)土資源,2012,28(07):35-37.

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)保峰（1982-），男,山西長(zhǎng)治人,碩士,主要研究方向：無(wú)人機(jī)低空航攝，攝影測(cè)量與遙感，三維數(shù)字城市。