劉建良，楊 琦，楊 軍

(1. 北京優(yōu)飛全景科技有限公司，北京 101102； 2. 金昌市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究院，甘肅 金昌 737100)

天狼星無人機(jī)免像控技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用

劉建良1，楊 琦1，楊 軍2

(1. 北京優(yōu)飛全景科技有限公司，北京 101102； 2. 金昌市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究院，甘肅 金昌 737100)

針對河道帶狀復(fù)雜的地形條件及高精準(zhǔn)的測量要求，提出了采用天狼星無人機(jī)航空測圖系統(tǒng)進(jìn)行地形圖測繪的方法，并用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)通過其內(nèi)置100 Hz實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分RTK技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航IMU系統(tǒng)，很好地解決了照片匹配等問題，在不需要布設(shè)像控點(diǎn)的情況下獲取高精度的影像數(shù)據(jù)，大大提高了航測效率；同時(shí)河道整治過程中所遇到的土方量計(jì)算、洪水分析等問題將得到更加精確直觀的呈現(xiàn)，為后續(xù)河道綜合整治工作提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

無人機(jī)；免像控；河道；數(shù)據(jù)處理

“綠水青山”是我國長期以來一貫堅(jiān)持的環(huán)境保護(hù)政策，河流不僅改善著環(huán)境，也為人類的生產(chǎn)生活提供著重要的物質(zhì)資源。隨著人們環(huán)境意識(shí)的提高，河道綜合治理工程也越來越被人們所重視。目前常規(guī)的測量技術(shù)難以高效全面地獲取河道及周邊流域的地形情況，給河道整治工作的后續(xù)開展帶來困難。拓普康天狼星(Sirius Pro)無人機(jī)測圖系統(tǒng)，以其機(jī)動(dòng)靈活、低成本的特點(diǎn)，可以快速、高效、準(zhǔn)確地獲取高精度、高分辨率的多元數(shù)據(jù)，并通過后處理軟件快速完成大比例尺地形圖的制作。高精度數(shù)字正射影像圖(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)數(shù)據(jù)的疊加可在河道整治項(xiàng)目中更加方便、快捷、直觀地判別河道地形地貌情況，同時(shí)天狼星測圖系統(tǒng)的免像控技術(shù)，大大減少了外業(yè)作業(yè)時(shí)間，更加快速地保障了河道整治前期工作的開展。本文以甘肅省定西市河道整治項(xiàng)目為例，對天狼星免像控技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 拓普康天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

拓普康天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)主要包含無人機(jī)飛行平臺(tái)、數(shù)據(jù)通信平臺(tái)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。Sirius Pro無人機(jī)測圖系統(tǒng)機(jī)身采用超輕泡沫材料，平臺(tái)主要性能參數(shù)見表1。

1.2 航測作業(yè)流程

在下達(dá)任務(wù)后，首先進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)，對整個(gè)項(xiàng)目流程方案進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保任務(wù)順利實(shí)施。為保障天狼星無人機(jī)外業(yè)航飛的順利進(jìn)行，需要對項(xiàng)目規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘，起降場地的適合選擇也是確保飛行安全的重要因素；同時(shí)在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行基準(zhǔn)站點(diǎn)和檢核點(diǎn)的布設(shè)及采集，基準(zhǔn)站點(diǎn)是為無人機(jī)飛行平臺(tái)GPS RTK基準(zhǔn)站而進(jìn)行的布設(shè)，檢核點(diǎn)是為影像數(shù)據(jù)成果檢核時(shí)提供對比。

在完成上述準(zhǔn)備工作后，開始進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，天狼星無人機(jī)采用自主研發(fā)的Mavinci Desktop飛行計(jì)劃軟件對測量區(qū)域進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。將規(guī)劃好的航線發(fā)送到無人機(jī)，無人機(jī)將按照規(guī)劃航線進(jìn)行作業(yè)飛行，航飛任務(wù)結(jié)束后無人機(jī)自動(dòng)將航拍POS數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)，并與影像照片進(jìn)行匹配，導(dǎo)入PhotoScan Pro軟件處理生成DOM、DSM和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為確保成果影像的精度，通過采集影像數(shù)據(jù)檢核點(diǎn)位置坐標(biāo)與檢核點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比較，以來進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，確保上交的影像數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)精度。無人機(jī)測圖系統(tǒng)測量工作流程如圖1所示。

表1 Sirius PRO無人機(jī)測圖平臺(tái)主要性能參數(shù)

圖1 無人機(jī)測圖工作流程

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 測區(qū)概況

本次河道整治項(xiàng)目位于甘肅省定西市，通渭縣屬隴中黃土高原丘陵壑區(qū)，多黃土梁、峁和河谷階地，地勢西北高，東南低，海拔1600～2200 m。本次項(xiàng)目河道由牛骨河、西河和黃龍河3條河道構(gòu)成，其中牛骨河河道為自西向東穿過通渭縣城區(qū)，西河和黃龍河都匯入牛骨河，位于105°06′12″E—105°23′09″E，30°08′19″N—30°15′38″N范圍內(nèi)。整個(gè)河道項(xiàng)目全長約52 km，河道兩側(cè)多為溝壑地帶，河堤處有耕地。

2.2 航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)定

根據(jù)河道走向及周邊地形的起伏變化，為保障獲取高精度的影像數(shù)據(jù)，確保無人機(jī)作業(yè)安全，本次無人機(jī)航線設(shè)計(jì)中，采用自適應(yīng)地形變化模塊。自適應(yīng)地形飛行是在Mavinci Desktop飛行控制軟件中設(shè)置固定飛行高度后，飛機(jī)隨著地形起伏變化而自動(dòng)改變飛行高度。固定航高飛行保證了飛機(jī)拍攝影像過程中像片重疊度，既避免遇到地形凸起時(shí)像片重疊度過小，無法滿足影像重疊規(guī)范要求，又避免在地形低洼處像片重疊度過大，造成飛行浪費(fèi)。自適應(yīng)地形飛行可以很好地避免在地形起伏較大的區(qū)域撞擊到山體等障礙物。本次項(xiàng)目飛行航線如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)地形航線飛行模式

根據(jù)河道長度及走勢情況，本次項(xiàng)目共設(shè)計(jì)12條帶狀航線(如圖3所示)，帶寬為200 m，地面采樣距離(GSD)為7 cm，飛行高度為272 m，航向重疊為75%～85%，旁向重疊為65%。

2.3 數(shù)據(jù)處理

基于天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)獲取影像的特點(diǎn)，利用Agisoft Photoscan Professional后處理軟件，首先將影像和高精度POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入，基于SIFT算法對照片特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，再根據(jù)高精度POS數(shù)據(jù)將像片對齊，全自動(dòng)生成密集點(diǎn)云、網(wǎng)格、紋理等，最終得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖4所示)、DEM(如圖5所示)和DOM(如圖6所示)等數(shù)字化產(chǎn)品。

圖3 航帶規(guī)劃

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 DEM

圖6 DOM

利用PhotoScan處理的數(shù)字化成果進(jìn)行數(shù)字線劃地圖(DLG)的繪制。本項(xiàng)目采用清華山維EPS軟件和Virtual Surveyor虛擬測圖軟件，可以根據(jù)DEM和DOM影像數(shù)據(jù)生成三維實(shí)景模型。截取部分DLG成果，如圖7所示。

3 精度檢核

為保證數(shù)據(jù)的精度要求，采集測區(qū)內(nèi)28個(gè)檢核點(diǎn)坐標(biāo)，檢核點(diǎn)布設(shè)如圖8所示，依次編號(hào)為m1—m28,這些點(diǎn)主要位于道路等空曠平坦的地表。測區(qū)所設(shè)置檢核點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)和圖上坐標(biāo)的平面差值即平面差值。再根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的平面中誤差。高程精度即通過外業(yè)實(shí)測獲得的高程檢核點(diǎn)坐標(biāo)值和DEM上相對應(yīng)的檢查點(diǎn)上量測的高程值之差。且誤差進(jìn)行分析，看能否滿足1∶2000大比例尺DOM和DEM精度規(guī)范要求。根據(jù)要求當(dāng)檢核點(diǎn)數(shù)量少于20個(gè)時(shí)，誤差的算術(shù)平均值代替中誤差，當(dāng)數(shù)量大于或等于20個(gè)時(shí)，按中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本項(xiàng)目檢核點(diǎn)精度見表2，分別統(tǒng)計(jì)X、Y和H方向的中誤差。

圖7 1∶2000 DLG成果

圖8 影像檢核點(diǎn)

根據(jù)表2各點(diǎn)坐標(biāo)較差,計(jì)算出各點(diǎn)X、Y和H的中誤差分別為0.070、0.067和0.136 m。可以得出本次項(xiàng)目檢核點(diǎn)平面位置中誤差為0.097 m，高程中誤差為0.136 m，符合1∶2000的成圖要求。

4 結(jié) 語

本文通過對天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)在河道整治項(xiàng)目的應(yīng)用分析，充分證明無人機(jī)航測系統(tǒng)正逐步發(fā)生著變革，傳統(tǒng)航測技術(shù)對像控點(diǎn)布設(shè)、繪圖人員的技術(shù)水平都有較高的要求，在一定程度上大大降低了航測效率，增加了額外成本。而天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)通過其內(nèi)置100 Hz實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分RTK技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航IMU系統(tǒng)， 很好地解決了像片匹配等問題，在不需要布設(shè)像控點(diǎn)情況下獲取高精度的影像數(shù)據(jù)。同時(shí)河道整治過程中所遇到土方量計(jì)算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀地呈現(xiàn)。

表2 檢核點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)與圖上坐標(biāo)差 m

[1] 狄桂栓，沈彪群，高波，等. 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[J].測繪通報(bào)，2017(2)：159-160.

[2] 楊堯蘭. 天狼星無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應(yīng)用研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

[3] 曹明蘭，薄志毅，李亞東. 無控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的無人機(jī)影像DOM快速制作[J].測繪通報(bào)，2016(8)：35-38.

[4] 張先起，李亞敏.基于生態(tài)的城鎮(zhèn)河道整治與環(huán)境修復(fù)方案研究[J].人民黃河，2013,35(2)：36-38.

[5] 張立先，河道整治存在問題與解決方法[J].黑龍江水利科技，2014(11)：169-170.

ApplicationoftheSiriusNon-GCPsUAVinRiverRegulation

LIU Jianliang1,YANG Qi1，YANG Jun2

(1. Beijing U-View Technology Co. Ltd,Beijing 101102,China； 2. Jinchang City of Urban and Rural planning Institute,Jinchang 737100，China)

As to the problem that the river band complex terrain conditions and measurement of high precision requirement, the paper puts forward the method of Sirius UAV aerial mapping system for topographic mapping. According to this method, Sirius unmanned aerial system using its built-in 100 Hz real-time dynamic RTK technology and high precision of inertial navigation system IMU, can solve the problem of photo matching in the image data, without layout control points as the case to obtain high precision, greatly improving the efficiency of aerial survey. At the same time, the earthwork calculation and flood analysis in the process of river regulation will become more accurate and intuitive, which provides accurate data support for the subsequent comprehensive river regulation work.

UAV; non-GCPs; river; data process

劉建良(1992—)，男，助理工程師，主要從事無人機(jī)航測數(shù)據(jù)采集與處理分析。E-mail：cl_ljl0312@163.com