狄桂栓，沈彪群，高 波，李 濤

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102； 2. 濟(jì)南數(shù)維空間測繪技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

測繪4.0：拓普康索佳應(yīng)用方案專欄

免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)在公路帶狀地形測量中的應(yīng)用與精度分析

狄桂栓1，沈彪群2，高 波2，李 濤1

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102； 2. 濟(jì)南數(shù)維空間測繪技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路、河流等大型基建工程的施工與管理已經(jīng)逐步邁向機(jī)械化、智能化的新臺階、新高度。無人機(jī)航攝系統(tǒng)也是隨著國家大型基建工程的開展應(yīng)運(yùn)而生的全新的測繪新手段。然而無人機(jī)航攝系統(tǒng)由于無人機(jī)的飛行不穩(wěn)定性等諸多因素造成了精度不穩(wěn)定性，特別是點(diǎn)位高程精度多不能滿足實(shí)際工程需要，是航攝工作者的普遍認(rèn)識。一般的無人機(jī)航攝伴隨著大量的像控、水準(zhǔn)等輔助工作，相較于傳統(tǒng)地形測量，優(yōu)勢未能突顯出來。本文采用天狼星航攝系統(tǒng)的MAVinci Desktop制定飛行計(jì)劃，利用AgiSoft PhotoScan Pro航空測圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)免像控影像自動拼接處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在EPS等軟件下直接做裸眼3D數(shù)據(jù)采集作業(yè)，無需傳統(tǒng)立測的3D眼鏡、手輪、腳盤等生產(chǎn)設(shè)備。以山東某高速公路帶狀地形圖測繪工程為實(shí)例，采集道路中心線，并在沿線公路或其他硬化路面設(shè)靶標(biāo)點(diǎn)，對靜態(tài)聯(lián)測與水準(zhǔn)測量的測量結(jié)果對比航攝系統(tǒng)測量結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

1.1 內(nèi)置實(shí)時(shí)RTK模塊，實(shí)現(xiàn)航攝免像控

在傳統(tǒng)航攝作業(yè)模式下，布設(shè)地面圖像控制點(diǎn)的工作占用著大量人力物力及工期，與地面控制點(diǎn)相關(guān)的靜態(tài)測量、水準(zhǔn)測量等工作幾乎能占用項(xiàng)目40%的時(shí)間。在公路等帶狀地形圖測繪項(xiàng)目中經(jīng)常遇到工作人員進(jìn)入困難甚至無法進(jìn)行人工作業(yè)的情況(如山區(qū)、災(zāi)害現(xiàn)場，禁區(qū))，這將大大增加項(xiàng)目開支，很多情況下還要以損失測繪精度為代價(jià)才能完成。天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng)結(jié)合RTK技術(shù)，可獲取高密度、高精度的航空制圖像控點(diǎn)，這種精密定位技術(shù)使得像片位置信息實(shí)現(xiàn)和地面控制點(diǎn)同樣的功能。

該系統(tǒng)搭載著100 Hz邁新率的拓普康GNSS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)100 Hz RTK數(shù)據(jù)更新。無人機(jī)在飛行過程中采集像片的位置信息，該位置信息都具有RTK固定解算精度，通過整合精密測時(shí)和高精度定位技術(shù)在空中完成傳統(tǒng)的地面像控測量。平面精度可達(dá)5 cm，高程精度達(dá)10 cm，滿足了1∶1000～1∶2000測圖要求。

1.2 MAVinci Desktop制定飛行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地形起伏

MAVinci Desktop不僅可以在辦公室里提前創(chuàng)建飛行計(jì)劃，還可以在飛機(jī)快速組裝結(jié)束后由操作者臨時(shí)指定目標(biāo)區(qū)域和期望的GSD進(jìn)行快速創(chuàng)建飛行計(jì)劃，飛行計(jì)劃傳輸?shù)斤w機(jī)后，手拋起飛后飛機(jī)自動完成飛行任務(wù)。在重丘類地形變化特別大的情況下，無需人工多次分割飛行區(qū)域多次起飛作業(yè)，飛機(jī)的自適應(yīng)地形變化功能可以根據(jù)地形變化自動改變飛行高度等參數(shù)，保證飛機(jī)在躲避高山等障礙區(qū)的同時(shí)也保證了影像重疊率，確保影像獲取的質(zhì)量。

同時(shí)，MAVinci Desktop可以采用高集成化一鍵設(shè)計(jì)飛行計(jì)劃，只要輸入想要的作業(yè)精度值，導(dǎo)入作業(yè)范圍文件便可實(shí)現(xiàn)航線自動劃分，飛行高度自動設(shè)定與自適應(yīng)，自動設(shè)定飛行帶寬及重疊率等技術(shù)參數(shù)。利用MAVinci Desktop的影像快速拼接功能生成線路測量及調(diào)繪用圖，改變了調(diào)繪人員等調(diào)繪片的工作實(shí)際。上午航飛的數(shù)據(jù)下午就可以完成實(shí)地調(diào)繪，大大提高了工作效率，縮短了工程工期。

1.3 AgiSoft PhotoScan Pro實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)處理

AgiSoft PhotoScan Pro不過分受角度場景的限制，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)800張低空影像的匹配制度。系統(tǒng)自帶平差系統(tǒng)，無需借助第三方軟件，可自動智能化后處理：一步直接導(dǎo)出DOM、DEM、點(diǎn)云，無需空三加密等流程；可在虛擬采集軟件下直接做裸眼3D采集，無需傳統(tǒng)立測的3D眼鏡、手輪、腳盤。

2 工程應(yīng)用分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)工程概況

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的自適應(yīng)性能，將試驗(yàn)區(qū)工程選在泰安、臨沂的山區(qū)和重丘區(qū)域，全長30 km，高差起伏約190 m，其中也包括10 km的市區(qū)平坦路面。于2016年7月對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了低空航攝數(shù)據(jù)采集，采集寬度300 m，面積約9 km2，起飛架次10架次。

2.2 航攝計(jì)劃創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)定

考慮到測區(qū)地形起伏較大，實(shí)地工作環(huán)境溫度最高35°C，風(fēng)力最大6級。為保證無人機(jī)安全航飛，設(shè)定參數(shù)如下：地面采樣間隔3 cm，飛行航高約120 m，模式為自適應(yīng)地形工作模式，航飛帶寬300 m。

2.3 檢測靶標(biāo)及檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)計(jì)與測量

為檢驗(yàn)航飛精度，在試驗(yàn)區(qū)硬化路面的地方，間隔約500 m處繪制地面檢測靶標(biāo)標(biāo)識，靶標(biāo)尺寸為30 cm×30 cm ，并進(jìn)行獨(dú)立的GPS靜態(tài)網(wǎng)觀測和水準(zhǔn)測量，聯(lián)測當(dāng)?shù)谿PS控制點(diǎn)4座，水準(zhǔn)控制點(diǎn)2座，共布設(shè)靶標(biāo)60個(gè)。另外以網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方式采集影像明顯位置檢測點(diǎn)近3000余點(diǎn)，包括房角、路燈、明顯的地面坎角、大型高壓線塔特征點(diǎn)，還采集了試驗(yàn)區(qū)的高壓線兩線塔中間的懸高等進(jìn)行試驗(yàn)比較分析。

2.4 無人機(jī)航攝系統(tǒng)測制大比例尺地形圖工作流程

無人機(jī)航攝系統(tǒng)測制大比例尺地形圖工作流程如圖1所示。

圖1 無人機(jī)航攝測制大比例尺地形圖工作流程

從航線設(shè)計(jì)與航飛到影像快速拼接都在MAVinci Desktop程序下完成，AgiSoft PhotoScan Pro程序?qū)崿F(xiàn)了快速空三直接生產(chǎn)DOM、DEM及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)到立測成圖工序，此次試驗(yàn)采用了EPS軟件進(jìn)行裸視三維立測。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度分析

本工程試驗(yàn)的靶標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)采用GPS靜態(tài)測量與水準(zhǔn)測量的傳統(tǒng)控制點(diǎn)測量作業(yè)模式獲取。在當(dāng)前無人機(jī)航攝技術(shù)水平上，主流的航攝系統(tǒng)在平面精度上都能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。此次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)平面精度優(yōu)于5 cm，在此不再作為精度分析重點(diǎn)。一般主流無人機(jī)航攝系統(tǒng)高程精度很難保證，此次試驗(yàn)60座靶標(biāo)檢驗(yàn)高程精度較差見表1。

表1 靶標(biāo)檢驗(yàn)高程精度較差

其中，高程差值最大為0.137 6 m，平均高程中誤差為0.076 m。另外為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有說服力，采用網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)模式采集道路兩側(cè)邊線高程點(diǎn)2000點(diǎn)，計(jì)算高程中誤差為0.102 m(該數(shù)據(jù)也包含了網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)誤差)，其他明顯地面特征點(diǎn)1000點(diǎn)，計(jì)算高程中誤差為0.113 m?？紤]到網(wǎng)絡(luò)RTK自身測量精度的影響，綜合評價(jià)無人機(jī)航攝高程精度約為2×GSD，實(shí)現(xiàn)了10 cm的高程精度。如果將地面采樣間隔(GSD)設(shè)定為2 cm，理論上可實(shí)現(xiàn)5 cm的高程精度，但由于飛行高度較低，實(shí)際操作中可能存在一定操作風(fēng)險(xiǎn)。但該航測系統(tǒng)已經(jīng)足以滿足1∶1000、1∶2000大比例尺數(shù)字化成圖的精度需要。

4 結(jié)束語

本次免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)在測制大比例尺地形圖試驗(yàn)，充分說明小型無人機(jī)已經(jīng)成為一種新型的低空航攝系統(tǒng)，是中高空航攝的有效補(bǔ)充，配上高集成化的軟件處理程序，是傳統(tǒng)GPS等傳統(tǒng)測量手段外的又一次革命，在公路勘察與改擴(kuò)建工程時(shí)可在不需要封路的情況下快速完成測量任務(wù)，高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為土石方計(jì)量等工作提供了更加精細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)量依據(jù)。特別是內(nèi)置RTK模塊后，具有了100 Hz的高頻實(shí)時(shí)差分、免像控的先進(jìn)技術(shù)，大大提高了工作效率，節(jié)約了人力物力等成本，能夠?yàn)楦鄿y繪類工程提供有效的地理信息數(shù)據(jù)。

(本專欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)

狄桂栓(1985—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榇蟮販y量、GNSS理論及應(yīng)用、INSAR技術(shù)及應(yīng)用。E-mail:xiaodi-2008@163.com