謝海燕

（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200438）

小型無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用

謝海燕

（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200438）

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)在測繪行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣。以小型無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用研究為目的，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)行了無人機(jī)航測實(shí)驗(yàn)。通過對小型無人機(jī)測圖的流程及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并利用外業(yè)實(shí)測數(shù)據(jù)對航測精度進(jìn)行評估，為小型無人機(jī)在在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

無人機(jī)；攝影測量；大比例尺地形圖

0 引言

航空攝影測量方法是獲取較大范圍地理信息數(shù)據(jù)的主要測繪方法之一[1]。隨著技術(shù)進(jìn)步，航空攝影測量已廣泛應(yīng)用到大范圍地區(qū)中小比例地形圖測繪中。

相對于傳統(tǒng)的全站儀、G P S-R T K等全野外采集方式，航空攝影測量在成圖周期、數(shù)據(jù)采集效率、人力成本方面都有一定優(yōu)勢[2]。但是常規(guī)航空攝影測量往往受限于飛行高度、空管調(diào)度、起降條件等因素，無法滿足小范圍大比例尺地形圖測繪需求。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的興起和發(fā)展，為大比例尺地形圖測繪提供了新的方向。本文依托于上海某場地測繪生產(chǎn)實(shí)踐，對小型無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

1 小型無人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造

小型無人機(jī)系統(tǒng)主要包括無人機(jī)飛行平臺，非量測型相機(jī)、穩(wěn)定平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面站、遠(yuǎn)程通信裝置及地形數(shù)據(jù)處理軟件等[3]。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

和傳統(tǒng)的航空攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行相比，無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)具備多方面的顯著優(yōu)點(diǎn)[4]:

（1）方便、快捷。小型無人機(jī)受飛行場地限制小，飛行系統(tǒng)在升空上所花的準(zhǔn)備時(shí)間短暫，操作非常簡便，作業(yè)方式靈活；且小型無人機(jī)不需要申請空域、攜帶方便。

（2）成本低廉。在平臺搭建、維護(hù)以及作業(yè)方面，成本均較為低廉。

（3）容易獲取信息。由于無人機(jī)系統(tǒng)飛行高度偏低，可以得到精度高的大比例尺影像，在小范圍信息獲取方面有著顯著優(yōu)勢。

（4）后續(xù)處理可靠性強(qiáng)?？筛鶕?jù)需求獲取高重疊度的影像，增強(qiáng)成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理能力[5]。

2 測區(qū)概況

本測區(qū)位于上海市浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn)大治河入?？谀蟼?cè)，東樂路(海堤路)北側(cè)。場地由西側(cè)原楊園道橋有限公司(預(yù)制梁廠)及東側(cè)至涵口灘涂組成，南北長約1.8km，東西長約0.18km，面積約0.32km2。由于東側(cè)灘涂為潮間灘，測量人員進(jìn)入十分困難，因此以小型無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集十分必要。

3 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理

本次測量以D J I P h a n to m 3P r o多旋翼無人機(jī)作為數(shù)據(jù)采集平臺。數(shù)據(jù)采集與處理作業(yè)流程見圖1。

3.1 控制點(diǎn)布測

小型無人機(jī)在飛行過程中飛行姿態(tài)并不穩(wěn)定，其記錄的P O S信息無法滿足大比例尺測圖需求[6]。為提高成圖精度，本次在測區(qū)均勻布設(shè)控制點(diǎn)13個(gè)?？刂泣c(diǎn)平面坐標(biāo)采用采用基于上海市G N SS連續(xù)運(yùn)行參考站S H-C O R S系統(tǒng)的G P S網(wǎng)絡(luò)R T K按三級點(diǎn)測量，控制點(diǎn)高程采用上海吳淞高程系統(tǒng)，采用經(jīng)區(qū)域高程擬合校正的G P S網(wǎng)絡(luò)R T K進(jìn)行測量。平面及高程精度均小于±2 c m。為了后期控制點(diǎn)識別，所有控制點(diǎn)均用寶馬標(biāo)志樣式靶標(biāo)進(jìn)行鋪蓋。

圖1 無人機(jī)作業(yè)流程圖

3.2 影像數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行影像采集前先使用D J I G O軟件接入無人機(jī)進(jìn)行飛行前指南針校準(zhǔn)、S D卡檢查、無線傳輸信號等準(zhǔn)備工作，然后采用A lt i z u r e軟件進(jìn)行航線設(shè)定。根據(jù)測區(qū)東西寬，南北窄的特點(diǎn)，將測區(qū)沿東西方向分為5個(gè)飛行區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)飛行架次。本次飛行設(shè)定航向重疊度為85%，旁相重疊度80%，飛行高度70 m。

航線規(guī)劃好后采用控制系統(tǒng)放飛無人機(jī)，利用其自動飛行模塊沿設(shè)定好的航線進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，采集過程中通過地面遙控終端實(shí)時(shí)查看影像采集狀況。

3.3 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

飛行結(jié)束后將拍攝的像片導(dǎo)出，并根據(jù)找出有像控點(diǎn)的照片，每個(gè)像控點(diǎn)選擇6張照片，保證像控點(diǎn)盡可能在照片中部，減少照片畸變影響。將照片添加到攝影測量自動建模軟件，通過查看影像曝光點(diǎn)位置，刪除多余影像。將像控點(diǎn)數(shù)據(jù)添加到軟件中后，進(jìn)行刺點(diǎn)工作，為保證后續(xù)處理精度，刺點(diǎn)時(shí)盡量選取靶標(biāo)的中心位置。

3.4 影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)處理中的空三解算、點(diǎn)云加密過程皆通過專業(yè)攝影測量處理軟件自動完成，并自動生成D SM和DO M成果。其中控制點(diǎn)空三解算精度見表1。

表1 空三解算精度

可見解算精度均滿足1∶1 000航空攝影測量規(guī)范[7]。

DO M和D SM部分成果分別見圖2、圖3。

圖2 DOM

圖3 DSM

3.5 地形圖繪制

將DO M加載到A r c G I S中，分別建立房子、道路、水泥板、水池、坡、坎等等圖層，根據(jù)DO M進(jìn)行分層矢量化。將野外采集的建筑物、道路等地物特征點(diǎn)展繪到A r c G I S中，與攝影測量矢量化的特征點(diǎn)進(jìn)行對比，并對DO M矢量化的圖形進(jìn)行糾正，得到更高精度的矢量化成果。地物地貌的高程數(shù)據(jù)采用通過D SM選取及現(xiàn)場測量高程點(diǎn)結(jié)合的方式在A r c G I S中生成。最后將所有矢量化成果轉(zhuǎn)換到C A D中，根據(jù)數(shù)字地形成圖要求進(jìn)行地圖整飾，生成D W G格式最終成果。部分地形見圖4。

圖4 部分地形圖

4 精度分析

本次將現(xiàn)場G P S-R T K實(shí)測點(diǎn)與對應(yīng)的影像成圖點(diǎn)進(jìn)行對比，從平面和高程兩個(gè)方面分析和評估實(shí)驗(yàn)精度。其中平面精度評定時(shí)為減少人為誤差，隨機(jī)采集了房角、水池角等定型地物的特征點(diǎn)作為對比數(shù)據(jù)。平面對比精度統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 平面精度統(tǒng)計(jì)表

高程精度分析以現(xiàn)場實(shí)測高程點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用D SM在實(shí)測點(diǎn)相同位置提取無人機(jī)測圖高程點(diǎn)，與實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行高程比較。高程精度統(tǒng)計(jì)信息見表3。

由表2和表3可知，無人機(jī)測圖與傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)相比，平面中誤差為0.180 m，高程中誤差為0.221m,而《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》中要求1∶1 000比例尺平面和高程中誤差分別為0.6 m和0.4 m，1∶500比例尺平面和高程中誤差分別為0.4m和0.4 m[8]。因此本實(shí)驗(yàn)條件下滿足到1∶1 000測圖要求，無法達(dá)到1∶500測圖要求。

5 結(jié)語

本文將小型無人機(jī)應(yīng)用與小范圍大比例尺地形圖測繪生產(chǎn)實(shí)踐，并通過傳統(tǒng)測量方法采集數(shù)據(jù)與無人機(jī)航測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的可靠性及精度，為小型無人機(jī)在在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在嚴(yán)格控制無人機(jī)航測像控點(diǎn)及飛行條件的情況下，可以基本滿足1∶1000大比例尺地形圖測圖需求。但是通過實(shí)驗(yàn)我們也發(fā)現(xiàn)，小型無人機(jī)由于體積小、重量輕、在飛行過程中極易受外界環(huán)境影像而使飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，造成成果平面和高程數(shù)據(jù)變形嚴(yán)重而無法滿足生產(chǎn)需求。因此建議一方面要選擇合適的飛行條件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，另一方面要結(jié)合傳統(tǒng)野外測量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)改正，以保證成果的精度。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，小型無人機(jī)在大比例尺地形圖測繪領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。

表3 高程精度統(tǒng)計(jì)表

[1]趙翔.基于無人機(jī)航攝DO M生成技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2015.

[2]錢建彬,王申俊.eBee無人機(jī)在大比例尺成圖中的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代測繪,2017,40(1):51-54.

[3]呂立蕾.無人機(jī)航攝技術(shù)在大比例尺測圖中的應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信息,2016,39(2):116-122.

[4]陳曉珍,潘建明.利用無人機(jī)航空像片進(jìn)行大比例尺測圖的探討[J].資源信息與工程,2016,31(3):122-123.

[5]曲喬新.無人機(jī)大比例尺地形圖測量技術(shù)研究[J].科技資訊, 2015(6):51-52.

[6]高志國,宋楊,曾凡洋.微型無人機(jī)航攝系統(tǒng)快速測繪小區(qū)域大比例尺地形圖實(shí)驗(yàn)分析[J].工程勘察,2015(12):71-75,86.

[6]JTG D60－2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[7]GB/T 23236－2009,數(shù)字航空攝影測量空中三角規(guī)范[S].

[8]GB/T 15967-2008,1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范[S]

P22

B

1009-7716（2017）06-0274-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.081

2017-04-09

謝海燕（1983-），男，江西吉安人，工程師，從事測繪工作。