焦　旺，劉　凱

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院,西安　710002；2.西安市勘察測(cè)繪院，西安　710048)

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無(wú)人機(jī)航測(cè)在亭口水庫(kù)1∶500地形測(cè)量中的應(yīng)用

焦旺1，劉凱2

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院,西安710002；2.西安市勘察測(cè)繪院，西安710048)

摘要：根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，布設(shè)野外地標(biāo)點(diǎn)和檢核點(diǎn)，通過(guò)無(wú)人機(jī)外業(yè)航攝及內(nèi)業(yè)中聯(lián)合使用Pix4DMapper、CASS和ArcGIS等軟件，使最終地形圖的平面和高程精度達(dá)到了1∶500地形圖的要求，為無(wú)人機(jī)在復(fù)雜的水庫(kù)地形測(cè)量中的應(yīng)用提供了一套完整的解決方案。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；Pix4DMapper；CASS；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；地形圖

0前言

無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是利用無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1-2]。無(wú)人機(jī)航測(cè)是以無(wú)人駕駛飛機(jī)作為空中平臺(tái)，使用高分辨率數(shù)碼相機(jī)為載荷獲取低空高分辨率實(shí)地照片，使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，并按照一定的精度要求獲取所需測(cè)繪產(chǎn)品的技術(shù)方法[3-4]。近年來(lái)，隨著技術(shù)和設(shè)備的不斷成熟完善，無(wú)人機(jī)航測(cè)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)快速、易于轉(zhuǎn)場(chǎng)、使用成本低、安全系數(shù)高、多元化多角度鏡頭、獲取影像分辨率高等優(yōu)勢(shì)[5-8]，在與技術(shù)成熟但成本高昂、程序繁瑣的傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量以及費(fèi)時(shí)費(fèi)力的全站儀、GPS-RTK等全野外數(shù)字測(cè)量方法的競(jìng)爭(zhēng)中，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1工程項(xiàng)目及設(shè)備

亭口水庫(kù)工程位于陜西省咸陽(yáng)市長(zhǎng)武縣亭口鎮(zhèn)涇河一級(jí)支流黑河下游。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高49 m，總庫(kù)容2.47億m3，年平均供水量7 180萬(wàn)m3。工程靜態(tài)總投資24.80億元，于2011年11月開(kāi)工建設(shè)，規(guī)劃建設(shè)工期4 a。

本次任務(wù)為1∶500地形圖補(bǔ)測(cè)。補(bǔ)測(cè)區(qū)域?qū)偎畮?kù)配套工程區(qū)，位于距離水庫(kù)大壩約2 km的一條支溝內(nèi)，長(zhǎng)約750 m，寬約200 m，面積約0.18 km2，高程介于900.00～955.00 m之間。該支溝系失陷性黃土長(zhǎng)期受雨水沖刷形成，地形復(fù)雜、支離破碎，溝側(cè)北坡植被以灌木為主，南坡以疏林為主，溝底自上游到下游形成一條寬約15～20 m的平緩地帶，雜草藤蔓叢生，人工施測(cè)難度較大。于是項(xiàng)目組決定使用無(wú)人機(jī)航測(cè)進(jìn)行此次補(bǔ)測(cè)。

針對(duì)航測(cè)任務(wù)使用P700型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，搭載相機(jī)為SONYα7R數(shù)碼相機(jī)。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件為Pix4DMapper，它是由瑞士Pix4D公司開(kāi)發(fā)的一款集全自動(dòng)、快速、專(zhuān)業(yè)精度為一體的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件。只需簡(jiǎn)單操作，即可將數(shù)千張影像快速制作成專(zhuān)業(yè)的、精確的二維地圖和三維模型[9]。

2外業(yè)航攝及內(nèi)業(yè)計(jì)算

2.1外業(yè)航攝

2.1.1規(guī)劃任務(wù)

任務(wù)規(guī)劃在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自帶軟件Avian-P上進(jìn)行?？紤]到以P700型無(wú)人機(jī)的航攝效率，在一個(gè)架次內(nèi)拍完目標(biāo)區(qū)域仍有極大富余，項(xiàng)目組劃定了一塊以補(bǔ)測(cè)區(qū)域?yàn)橹行?，長(zhǎng)2 160 m，寬475 m的更大的區(qū)域進(jìn)行航攝，即兼顧與原有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接邊問(wèn)題。根據(jù)規(guī)范要求，像片航向重疊度宜為60%～80%，旁向重疊度宜為15%～60%，測(cè)制1∶500地形圖時(shí)像片地面分辨率(GSD)應(yīng)≤5 cm[10]。經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整，最終確定的航攝方案概況為：共飛行一個(gè)架次,規(guī)劃航線(xiàn)4條，蛇形路線(xiàn)飛行，相對(duì)航高350 m，最小GSD為4.9 cm，航向重疊77%，旁向重疊56%，固定3 s拍攝一張，總飛行時(shí)間預(yù)計(jì)為30 min。

2.1.2控制點(diǎn)及檢核點(diǎn)的布設(shè)與實(shí)測(cè)

測(cè)區(qū)內(nèi)沒(méi)有明顯地物，但已有高等級(jí)控制，在航攝前人工制作地面控制點(diǎn)及檢核點(diǎn)并進(jìn)行觀測(cè)，具體實(shí)施步驟為：在航攝任務(wù)規(guī)劃完成后，利用Google Earth在航攝區(qū)域內(nèi)布設(shè)了9個(gè)地面控制點(diǎn)及4個(gè)用于檢驗(yàn)測(cè)圖平面精度的檢核點(diǎn)，并獲取其經(jīng)緯度。使用手持GPS實(shí)地放樣控制點(diǎn)及檢核點(diǎn)點(diǎn)位，就近選擇合適位置，制作地面標(biāo)志。標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)和高程的測(cè)量，使用華測(cè)X900型GNSS接收機(jī)進(jìn)行RTK測(cè)量，每點(diǎn)測(cè)量2次，取2次測(cè)量平均值作為其最終結(jié)果。在測(cè)制上述標(biāo)志點(diǎn)的同時(shí)，項(xiàng)目組還在測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)分散采集了60個(gè)地形點(diǎn)用于檢驗(yàn)成圖的高程精度。

2.1.3選取起降場(chǎng)地及起降時(shí)段

作業(yè)前，首先在Google Earth上選取若干可以作為無(wú)人機(jī)起降的地點(diǎn)：測(cè)區(qū)東北500 m及測(cè)區(qū)東南1 300 m處分別有山頂平地，面積均符合要求。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，東南處預(yù)選址雖然距測(cè)區(qū)較遠(yuǎn)，但更為開(kāi)闊，且范圍內(nèi)無(wú)信號(hào)塔、高壓線(xiàn)塔等障礙，故選定此處為無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地。作業(yè)當(dāng)天，當(dāng)?shù)靥鞖馇缋?，能?jiàn)度較高，微風(fēng)，飛行選取了一天中太陽(yáng)高度角最大的正午進(jìn)行。

2.1.4起飛前檢查及準(zhǔn)備

起飛前檢查、準(zhǔn)備工作主要有無(wú)人機(jī)、彈射系統(tǒng)及地面導(dǎo)控站的組裝，相機(jī)測(cè)光，聯(lián)機(jī)調(diào)試，上傳飛行任務(wù)等。一切檢查無(wú)誤后，把無(wú)人機(jī)固定在彈射架上，擇機(jī)起飛。開(kāi)啟地面控制站，根據(jù)導(dǎo)控站高程、測(cè)區(qū)最低高程和任務(wù)規(guī)劃時(shí)確定的相對(duì)航高確定最終的相對(duì)航高。

2.1.5航攝及數(shù)據(jù)檢查

按照預(yù)定任務(wù)進(jìn)行航攝。收回飛機(jī)后，下載飛行記錄數(shù)據(jù)和照片，分別打開(kāi)照片放大到100%，觀察是否清晰銳利，色彩飽和；打開(kāi)Pix4DMapper軟件，使用快速檢測(cè)得到快速檢測(cè)報(bào)告，查看航攝有無(wú)空洞和扭曲，航向重疊和旁向重疊是否足夠。如上述步驟滿(mǎn)足要求則數(shù)據(jù)合格。

2.2內(nèi)業(yè)計(jì)算

使用Pix4DMapper軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算，大致流程為：新建工程→加入影像和對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)→設(shè)置影像坐標(biāo)系和相機(jī)參數(shù)→生成初步處理報(bào)告→加入地面控制點(diǎn)并設(shè)置地面控制點(diǎn)坐標(biāo)系和輸出坐標(biāo)系→加刺像控點(diǎn)→生成高精度處理報(bào)告、空三加密后的數(shù)字地面模型、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像圖。圖1為加刺像控點(diǎn)后,經(jīng)過(guò)高精度處理生成的計(jì)算報(bào)告。該報(bào)告表明數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，可以進(jìn)一步的處理計(jì)算。

3地形圖的制作

航測(cè)內(nèi)業(yè)成圖目前成熟的做法是利用空三加密成果構(gòu)建立體模型，由經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站上使用手輪腳盤(pán)鼠標(biāo)等外接設(shè)備手動(dòng)進(jìn)行采集和編輯。由于編輯量過(guò)大，無(wú)人機(jī)航片片幅過(guò)小等原因，本次測(cè)量中項(xiàng)目組嘗試了一種新方法。

圖1　高精度處理報(bào)告圖

Pix4Dmapper在對(duì)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行空三計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)需要選擇生成具有和輸出坐標(biāo)系一致的可供量測(cè)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)空三成果自動(dòng)匹配DEM得到，其中每個(gè)點(diǎn)都有確定的、滿(mǎn)足精度要求的平面坐標(biāo)和高程值。因此，可以在Pix4Dmapper中利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地形點(diǎn)的采集，以取代傳統(tǒng)手輪腳盤(pán)采集等高線(xiàn)及打高程點(diǎn)的過(guò)程。

圖2　點(diǎn)云數(shù)據(jù)手動(dòng)采點(diǎn)圖

由于測(cè)區(qū)植被覆蓋較多，采點(diǎn)由具備野外測(cè)圖經(jīng)驗(yàn)的人員手動(dòng)進(jìn)行：按高程逐行采點(diǎn)，每行間隔10 m高差，平緩處采點(diǎn)間距控制在15 m以?xún)?nèi)，地形變化較大處增加密度(圖2)，且此過(guò)程中針對(duì)地性線(xiàn)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)繪制，即將山脊、山谷、坡頂及坡底、陡坎上下等用復(fù)合線(xiàn)表示出來(lái)。軟件導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件格式不能直接用于南方CASS2008，需經(jīng)過(guò)ArcGIS轉(zhuǎn)換后方能導(dǎo)入。在南方CASS2008中，用高程點(diǎn)建立三角網(wǎng)，并讓之前繪制的地性線(xiàn)參與三角網(wǎng)的創(chuàng)建，以確保三角網(wǎng)走向的正確性，然后選取1 m等高距，生成等高線(xiàn)。事實(shí)表明，地性線(xiàn)的繪制為后續(xù)的等高線(xiàn)修改編輯減少了工作量，且能夠繪制出準(zhǔn)確逼真的等高線(xiàn)而不至于因高程點(diǎn)采集不合理而造成等高線(xiàn)與實(shí)際地形不符的問(wèn)題。需要指出的是，此方法還應(yīng)配合使用正射影像圖繪制地物，進(jìn)而合成要素完備的地形圖，但因測(cè)區(qū)內(nèi)幾乎不存在地物，故省略此步驟。最終成果如圖3所示。

圖3　地形圖成果圖

4精度評(píng)定

4.1平面精度評(píng)定

4個(gè)檢核點(diǎn)中，J1、J4分別位于測(cè)區(qū)兩頭，J2、J3位于測(cè)區(qū)中區(qū)兩翼。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找到4點(diǎn)位置，測(cè)量其坐標(biāo)并記錄。將實(shí)測(cè)坐標(biāo)和點(diǎn)云采集坐標(biāo)對(duì)應(yīng)比較，得到的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　平面點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表　/m

依據(jù)規(guī)范，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量少于20時(shí)，以誤差的算數(shù)平均值代替中誤差[11]，由此算得點(diǎn)位中誤差M=±0.153 m，符合規(guī)范對(duì)山地1∶500地形圖平面位置中誤差不大于±0.4 m的要求[10]。

上述平面精度檢測(cè)方法客觀上是存在缺陷的，因?yàn)闄z測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)過(guò)少，得出結(jié)果的可靠度并不高。但是由于航測(cè)中，平面精度相比于高程精度更容易達(dá)到，且在水利水電行業(yè)中，高程精度相對(duì)于平面精度更加重要，因此，可將平面精度的檢查作為參考，而把高程精度的檢查作為地形圖精度檢查的重點(diǎn)。

4.2高程精度評(píng)定

(1)

圖4　各檢測(cè)點(diǎn)高程較差范圍圖

圖5　高程較差分布圖

5結(jié)語(yǔ)

(1) 本文主要嘗試了利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)手動(dòng)采點(diǎn)，由ArcGIS轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入CASS系統(tǒng)制作地形圖的方法，其優(yōu)點(diǎn)是，內(nèi)業(yè)人員不必接受手輪腳盤(pán)采集的專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練，只要有外業(yè)測(cè)圖經(jīng)驗(yàn)，即可快速上手，尤其在地形起伏大、等高線(xiàn)較密集的地區(qū)，此方法比傳統(tǒng)手動(dòng)繪線(xiàn)方法便捷高效。

(2) 在無(wú)明顯地物點(diǎn)進(jìn)行平面精度檢核條件的情況下，嘗試了人工制作標(biāo)志為平面精度的檢核提供了檢核手段。此方法具有一定的可行性，但操作難度大，成本高，難以達(dá)到應(yīng)有的量級(jí)，因此不具備大規(guī)模開(kāi)展的條件，只能對(duì)平面精度的評(píng)定起到一定的參考作用。

(3) 由高程較差的統(tǒng)計(jì)分布圖可以看出，高程較差的算術(shù)平均值在+0.1 m附近，即內(nèi)插高程平均值要大于實(shí)測(cè)高程平均值。這是由于測(cè)區(qū)植被覆蓋度較高，內(nèi)業(yè)采點(diǎn)時(shí)部分地形點(diǎn)沒(méi)有采到地面造成的。這是航測(cè)中提高高程精度的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，也是制約無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。

(4) 無(wú)人機(jī)航測(cè)快速高效的特點(diǎn)雖然已經(jīng)成為共識(shí)，但由于其程序相對(duì)繁瑣，在小面積地形測(cè)量中，這一優(yōu)勢(shì)并未體現(xiàn)出來(lái)，但從其所需較低的外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)費(fèi)等情況來(lái)看仍不失為一種不錯(cuò)的解決方案，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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Application of Aerial Survey by Drone in Surveying of 1∶500 Topographic Map of Tingkou Reservoir

JIAO Wang1, LIU Kai2

(1.Survey and Mapping Branch, Shangxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi'an710002,China； 2.Xi'an Municipal Survey and Mapping Institute, Xi'an710048,China)

Abstract:In accordance with features of the aerial survey by drone, landmark point and check point in field are arranged. Through the outdoor aerial photo by drone and the joint application of software such as Pix4DMapper, CASS and ArcGIS, etc, precision of plane and elevation of the final topographic map satisfies requirements of 1∶500 topographic map. This provides application of drone in the survey of complicated topography of reservoir with the complete solution.

Key words:drone; Pix4DMapper; CASS; point cloud data; topographic map

中圖分類(lèi)號(hào)：P231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.006

作者簡(jiǎn)介：焦旺(1989- )，男，陜西省藍(lán)田縣人，助理工程師，主要從事工程測(cè)量和無(wú)人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作.

收稿日期：2015-08-24

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0023—04