高志國

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510060)

無人機在城市基本地形圖測繪中的應(yīng)用

高志國1，2*

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060； 2.廣東省工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510060)

依托低空無人機航測系統(tǒng)進行1∶500大比例尺地形圖數(shù)據(jù)快速獲取與處理方法的應(yīng)用研究，簡述了無人機作業(yè)的主要工作流程，探討了無人機測圖的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合廣州市2016年度基礎(chǔ)地形圖更新項目進行了 1∶500大比例尺地形圖生產(chǎn)與成果精度評定。結(jié)果表明低空無人機航測技術(shù)在地勢平坦、地形結(jié)構(gòu)較簡單地區(qū)滿足 1∶500大比例尺地形圖精度要求，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。

低空無人機航測；城市基本地形圖；快速測繪；1∶500地形圖；DOM

1 引 言

城市基本地形圖是進行城市建設(shè)、規(guī)劃管理、國土資源管理等最基本的基礎(chǔ)地理信息資料。其在城市規(guī)劃、建設(shè)、交通、管理、社會與公眾服務(wù)以及可持續(xù)發(fā)展研究等眾多領(lǐng)域的作用日益重要，對基本地形圖的準(zhǔn)確性、現(xiàn)勢性和覆蓋率的要求也越來越高。

隨著數(shù)字化、智慧化城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市基本地形圖如何實現(xiàn)快速有效、實時更新，滿足城市規(guī)劃建設(shè)需要，是目前城市測繪工作亟待解決的難題之一[1]。

無人機低空遙感技術(shù)是航空遙感領(lǐng)域一個新的發(fā)展方向，具有低成本、方便快捷、靈活機動、高效率、高分辨率等特點，并已逐步應(yīng)用于大比例尺地形圖航空攝影測量領(lǐng)域[2，3]。憑借自身的技術(shù)優(yōu)勢，可快速、高效獲取高精度、高分辨率的影像數(shù)據(jù)，成為傳統(tǒng)航空攝影測量的有效補充手段[4，5]。

2 項目簡介

2.1項目概況

為滿足廣州市規(guī)劃建設(shè)需要，實現(xiàn)廣州市基礎(chǔ)地形圖全覆蓋，并建立廣州市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，更好地為廣州市十三五規(guī)劃的實施提供基礎(chǔ)測繪保障，廣州市開展了2016年度城市基本地形圖更新工作(1∶500數(shù)字化地形圖測量及數(shù)據(jù)入庫)，項目測量面積 121.4 km2。本項目生產(chǎn)實踐測區(qū)選擇為赤泥C作業(yè)區(qū)，航測面積 3 km2，如圖1所示。

圖1 基本地形圖更新項目測區(qū)示意圖

2.2低空無人機平臺

本項目采用TrimbleUX5HP無人機(如圖2所示)，該系統(tǒng)具有操作簡便、全自動、精度高等特性，系統(tǒng)集成高性能Trimble GNSS接收機和a7R全畫幅相機能夠采集高分辨率的影像數(shù)據(jù)。后處理動態(tài)(PPK)GNSS技術(shù)可在絕對系統(tǒng)中建立非常準(zhǔn)確的圖像位置，有效減少地面控制點，獲得高精度成果數(shù)據(jù)。

圖2 UX5HPUAV

3 工作流程

無人機航測制作大比例尺地形圖的主要工作流程如圖3所示。

圖3 無人機測圖主要工作流程

3.1作業(yè)準(zhǔn)備工作

主要準(zhǔn)備工作包括：資料準(zhǔn)備、設(shè)備準(zhǔn)備、相機檢測等。

(1)收集測區(qū)基礎(chǔ)資料，如基礎(chǔ)地形圖、衛(wèi)星影像資料、控制成果等，了解測區(qū)地理位置及情況。

(2)相機檢校，獲取準(zhǔn)確的相機內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。

(3)飛行平臺設(shè)備進行檢校與常規(guī)檢查確保航攝平臺各設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)符合規(guī)范要求。

(4)現(xiàn)場踏勘選擇合適的起降場地。

3.2航攝作業(yè)

3.2.1 航線設(shè)計

UX5HP飛行航線設(shè)計利用Aerial Imaging軟件完成；為滿足測圖精度要求，提高飛行效率，本次航線設(shè)計采用索尼a7R II相機 35 mm鏡頭，航向重疊度設(shè)計為80%，旁向重疊度設(shè)計為80%，地面分辨率設(shè)計為 5 cm，航高設(shè)計 375 m，如圖4所示。

圖4 航線規(guī)劃設(shè)計

3.2.2 控制點布設(shè)及測量

本項目航測采用地面架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，利用PPK后處理動態(tài)差分技術(shù)提高定位解算精度。控制點布設(shè)按照相關(guān)規(guī)范要求，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)地面控制點，利用廣州市連續(xù)運行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)測量像控制點坐標(biāo)，通過廣州市似大地水準(zhǔn)面精化成果轉(zhuǎn)換為廣州市坐標(biāo)系坐標(biāo)，共布設(shè)及測量控制點40個，如圖5所示。

圖5控制點布設(shè)方案

3.2.3 影像獲取

影像獲取主要包括起飛前檢查、無人機航飛、現(xiàn)場數(shù)據(jù)整理、檢查等。

(1)起飛前檢查

為確保無人機航攝安全，飛機通電后需要進行自檢及嚴(yán)格的安全檢查，具體如下：

①gBox狀態(tài)檢查，線纜連接檢查、GNSS天線視野開闊、gBox正常啟動、鎖定衛(wèi)星檢查。

②相機檢查，SD檢查、相機設(shè)置檢查、設(shè)置快門速度、清潔相機鏡頭和濾鏡、相機熱插拔線路連接、尼龍扣帶固定、相機觸發(fā)器檢查、快門反饋檢查。

③跟蹤器檢查，確保跟蹤器打開、接收器接收信號檢查。

④升降翼檢查，外弦升降翼與內(nèi)弦升降翼水平檢查、升降翼反應(yīng)檢查。

⑤發(fā)射架檢查，發(fā)射架裝配、安全插銷插入發(fā)射架、彈力繩力度檢查。

⑥空速反應(yīng)檢查，確?？账俜磻?yīng)正常。

⑦飛機定位檢查，飛機裝配到發(fā)射架上，定位螺旋槳位置、飛機位置正確。

完成起飛前檢查后，拆除安全插銷，啟用無人機系統(tǒng)，等待系統(tǒng)正常啟動后，即可發(fā)射無人機。

(2)無人機航飛

無人機起飛后，按照規(guī)劃路線升空進行影像數(shù)據(jù)采集，地面站開始對飛機工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，技術(shù)員應(yīng)時刻關(guān)注無人機的狀態(tài)、風(fēng)速、飛機的高度及速度等指標(biāo)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立刻做出判斷和處理，如正常即按預(yù)定線路采集完成后返航降落。項目共航飛9架次，采集影像數(shù)據(jù) 2 600張。

(3)數(shù)據(jù)整理及檢查

現(xiàn)場對航飛數(shù)據(jù)進行整理，核查拍攝照片數(shù)量與飛行軌跡參數(shù)是否一致，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象；檢查照片質(zhì)量，是否有模糊不清等情況；現(xiàn)場對航飛成果質(zhì)量的進行全面、快速檢查、計算航向重疊度、旁向重疊度、生成檢查結(jié)果報表等。檢查完成后如存在質(zhì)量問題則需重新補攝飛行，若無質(zhì)量問題，則本次航攝完成，如圖6所示。

圖6外業(yè)航飛質(zhì)量檢查

3.3數(shù)據(jù)處理與DOM制作

3.3.1 空三加密

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括原片檢查、POS數(shù)據(jù)整理、控制點數(shù)據(jù)整理等。預(yù)處理完成后利用INPHO軟件進行空三加密處理。空三加密過程中，在立體像對的點位上選刺控制點，通過控制點點位調(diào)整及平差優(yōu)化，最終從40個控制點位中選擇了28個點作為控制點，其余點位作為檢查點，同時為了增加模型連接的強度，避免由于某一個控制點的誤差過大引發(fā)全局性的負(fù)面影像，在立體像片上增加一些模型連接點tie point參與空三平差。經(jīng)過反復(fù)的點位調(diào)整、優(yōu)化，最終達到平面 0.07 m，高程 0.06 m的絕對定向精度，如圖7所示。

3.3.2 DOM制作

根據(jù)上述空三加密的成果，利用DEM數(shù)據(jù)對影像進行數(shù)字微分糾正和影像重采樣，生成單片的數(shù)字正射影像DOM，由于無人機飛行高度較低，高層地物同名點視差較大，按照相機中心投影的成像原理，影像邊緣投影誤差較大，往往會出現(xiàn)接縫和建筑物邊緣扭曲的現(xiàn)象，所以，需要對正射影像的鑲嵌線進行人工編輯， 鑲嵌線的選取及修改盡可能避免穿過大型建筑物，選擇紋理不豐富的位置，遠離影像的邊緣，盡量沿道路及地面實體的邊緣等。同時，對于不同拍攝角度、位置的照片存在的色差、亮度差進行勻光勻色處理，鑲嵌線周邊羽化處理，保證照片鑲嵌自然，整體影像亮度、色差一致，如圖8所示。

圖7 空三加密精度報告

圖8 0.05 m分辨率DOM成果

3.3.3 DLG立體采編

本項目1∶500DLG制作通過航天遠景Map Matrix平臺與清華山維EPS平臺的定制與對接，利用EPS平臺進行二次開發(fā)，使立體測圖與得到“圖屬合一”的GIS數(shù)據(jù)的工作目的同時達成，相比國內(nèi)目前絕大多數(shù)的DLG生產(chǎn)流程更為高效、先進。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，準(zhǔn)備INPHO空三平差工程文件及無人機原始影像數(shù)據(jù)，將必要的文件放到同一的文件夾的同級目錄下，如影像ID、外方位元素文件，加密點文件，像點文件等，保持文件前綴名稱一致。

(2)新建工程，打開EPS基礎(chǔ)測繪平臺，選擇航測采編模塊，建立廣州市基礎(chǔ)地理模板-500工程文件。

(3)模型恢復(fù)，選擇立體測圖菜單，加載立體像對，恢復(fù)立體模型。

(4)立體采編，掛接外接輸入設(shè)備，設(shè)置工作區(qū)，開始進行數(shù)據(jù)采集工作。

按照立體模型實際能觀測到的原則進行全要素采集，盡可能對可觀測到的地物按照“內(nèi)業(yè)定位、外業(yè)定性”的原則進行數(shù)字化跟蹤，外業(yè)調(diào)繪修編等工作，共編制1∶500DLG成果216幅，如圖9所示。

圖9編繪的DLG

4 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1建筑物投影差改正[12]

本項目通過前期的研究成果，采用一種聯(lián)合影像方位元素和物方三維點云數(shù)據(jù)的方法，利用投影中心、DSM、DEM上形成的同名點共線關(guān)系，由DSM物方點利用外方位元素計算出的DEM像方點之間的高差所構(gòu)造出的數(shù)字高程模型，形成跟隨影像點位同步變化的投影高差模型，此處稱它為影像同步變化的投影數(shù)字差模型(image elevation synchronous model，IESM)，通過該模型采用共線方程解算房屋屋角的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)了建筑物的半自動投影差改正。由于測區(qū)建筑主要以低層居民房為主，利用投影差改正模型取得良好效果，如圖10所示。

4.2 EPS2012集成二次開發(fā)

本項目以廣州市規(guī)劃基礎(chǔ)信息化測繪平臺EPS 2012為基礎(chǔ)，采用VC++6.0開發(fā)平臺及VBScript腳本語言進行功能專業(yè)二次開發(fā)，實現(xiàn)了應(yīng)用程序?qū)右约叭謹(jǐn)?shù)學(xué)函數(shù)庫與控件庫的動態(tài)鏈接SDL(Sunway dynamic linked library)，快速搭建了基于EPS2012航測采編平臺，實現(xiàn)運行時動態(tài)加載或輸入命令加載，如圖11所示。新開發(fā)的EPS測圖功能集成模塊化管理，通過菜單工具條加載功能，延續(xù)了EPS原有功能界面與操作習(xí)慣。同時對數(shù)據(jù)模板進行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，實現(xiàn) 1∶500～1∶2000數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在制圖顯示過程中強制標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、制圖輸出、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)應(yīng)用四者一致性，有效保證數(shù)據(jù)無異化。

圖10 投影差改正原理及效果圖

圖11 基于EPS2012平臺開發(fā)的測圖系統(tǒng)

5 項目成果與精度分析

基于無人機航攝數(shù)據(jù)，經(jīng)上述流程化的處理，得到測區(qū)DOM、DEM、DLG等，為了保證成果精度，對本次航攝測繪的地形圖成果精度進行外業(yè)檢測，采用GZCORS_RTK快速獲取外業(yè)檢查點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，整個測區(qū)內(nèi)施測平面坐標(biāo)及高程檢測點122個、距離檢測點83個，利用中誤差計算公式計算出各個檢查點的中誤差，依據(jù)計算結(jié)果可得(如表1所示)，本次航攝繪制的 1∶500地形圖精度滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求?？勺鳛榛A(chǔ)測繪成果提供使用。

6 結(jié) 語

本文無人機航攝測繪大比例尺地形圖生產(chǎn)應(yīng)用，基于地形結(jié)構(gòu)較簡單、地勢比較平坦地區(qū)，經(jīng)實地檢測，成果滿足大比例尺地形圖精度要求，作業(yè)效率也較傳統(tǒng)測量模式有大幅提高，有效提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，加快了內(nèi)、外業(yè)數(shù)據(jù)成產(chǎn)的一體化作業(yè)流程。滿足了項目建設(shè)快速完成測繪任務(wù)的要求，為大比例尺地形圖快速測繪提供了新的技術(shù)手段。

隨著數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)的全面發(fā)展，城市規(guī)劃及建設(shè)對地形圖的需求與日俱增，且更新周期越來越短。低空無人機航攝系統(tǒng)，憑借低空作業(yè)、機動靈活、高分辨率、高精度、高效率、低成本等特點，已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、低空航空攝影、應(yīng)急測繪、環(huán)保監(jiān)測、工程勘察等領(lǐng)域。隨著無人機航攝技術(shù)的不斷成熟，續(xù)航能力、飛行穩(wěn)定性、小像幅等缺點也將逐步得到改善，使其有更廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢。

無人機航測地形圖精度檢測表 表1

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ApplicationofUAVinSurveyingandMappingofUrbanBasicTopographicMap

Gao Zhiguo1，2

(1.Guangzhou Urban Planning Design & Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center，Guangzhou 510060，China)

Application research and processing method for rapid acquisition the1∶500 large scale topographic map data relies on the Unmanned Aerial Vehicle low altitude aerial system，introduced the main workflow and the key technologies of UAV image mapping is studied，in the city of 2016 basic map updating project with low-altitude UAV aerial production the 1∶500 large scale topographic map production practice and Accuracy Analysis of Project Achievements.The result show that UAV aerial surveying technique can meet the requirements of 1∶500 large scale topographic map has obvious technical advantage and good application prospect in large-scale topographic map rapid mapping in flat terrain and simple terrain structure.

UAV-aerial system；urban basic topographic map；rapidSurveying；1∶500 topographic map；DOM

1672-8262(2017)05-29-06

P231.5

B

2017—07—26

高志國(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要從事測繪新技術(shù)研究及應(yīng)用。

廣東省科技計劃產(chǎn)學(xué)研專項(2015B090903020)

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優(yōu)秀論文二等獎。