胡永進(jìn)，曹仁勇

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

在傳統(tǒng)的園林規(guī)劃設(shè)計(jì)時，需要對現(xiàn)狀地形地物采取實(shí)地查看或采用GPS、全站儀等設(shè)備進(jìn)行全野外實(shí)地測量，測制 1 ∶500 大比例尺地形圖(DLG)、正射影像圖件(DOM)。傳統(tǒng)技術(shù)方法，存在片面了解現(xiàn)狀地形地物、無法更加清晰地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)、繪制的效果圖不符合實(shí)際等問題[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、無人機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，地理信息實(shí)景化、三維化的信息化需求逐步提高。無人機(jī)在農(nóng)業(yè)、航拍、基建、巡檢、警用和消防領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，其相對投資少、工作量小、工作周期短等特點(diǎn)受到規(guī)劃院和設(shè)計(jì)院青睞[2]。

在風(fēng)景園林系統(tǒng)規(guī)劃應(yīng)用方面，系統(tǒng)規(guī)劃的工作范圍大，工作強(qiáng)度高，并且需要規(guī)劃師對周邊情況有清晰、明確的了解與定位[3]。無人機(jī)航拍技術(shù)則可以將這些情況清晰、準(zhǔn)確地表達(dá)在三維和二維圖像上，明顯縮短了工作周期和工作量。在新的無人機(jī)航測遙感技術(shù)體系下，采用高精度定位RTK系統(tǒng)輔助1 ∶500大比例尺成圖，定位精度更高，圖像處理更加容易，成為了園林規(guī)劃領(lǐng)域新的技術(shù)方法。

1 無人機(jī)航攝RTK測圖技術(shù)原理

1.1 無人機(jī)航攝RTK作業(yè)原理

無人機(jī)的飛行航線可以根據(jù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)所得到的信息讓無人機(jī)在指定的時間內(nèi)完成航行任務(wù)，而其精準(zhǔn)度與所搭載的定位技術(shù)直接掛鉤。采用基于RTK(Real-time kinematic)載波相位差分技術(shù)的無人機(jī)定位系統(tǒng)，可以通過實(shí)時獲取導(dǎo)航衛(wèi)星信號和RTK差分定位信息，通過地面GPS基站來提高衛(wèi)星信號對大氣層的定位精度，將偏移量控制在厘米級[4]。

無人機(jī)航攝RTK技術(shù)是指采用內(nèi)置的小型機(jī)載GPS板卡的無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)，機(jī)載RTK和地面GPS基站以一定采用頻率同時記錄當(dāng)前的位置，通過差分解算、內(nèi)插處理等，獲得無人機(jī)相機(jī)拍攝的每張相片在曝光時刻的精確地理位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)為無人機(jī)飛行作業(yè)提供高精度定位支持，從而獲得的各項(xiàng)航攝指標(biāo)，如重疊度、旋偏角度等更加符合《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求。具體無人機(jī)航攝RTK技術(shù)作業(yè)見圖1。

1.2 RTK輔助測圖技術(shù)原理

高質(zhì)量的航攝影像及高精度的曝光點(diǎn)坐標(biāo)是1 ∶500大比例尺測圖的技術(shù)前提。傳統(tǒng)的無人機(jī)大比例尺測圖技術(shù)，由于采用小相幅非量測相機(jī)進(jìn)行拍攝，以致空三解算需要更多控制點(diǎn)來保證精度，大大增加了外業(yè)工作量；而采用GPS RTK輔助測圖技術(shù)，則利用RTK實(shí)時獲取的無人機(jī)航攝曝光點(diǎn)坐標(biāo)，作為輔助數(shù)據(jù)參加光束法聯(lián)合平差處理，以達(dá)到利用GPS RTK攝站作為空中控制來取代傳統(tǒng)測圖大量地面控制點(diǎn)的目的，從而使測區(qū)所需的地面控制點(diǎn)大大減少[5]。

具體原理如下：

(1)

(2)

式中：[XS,YS,ZS]為實(shí)際曝光時刻投影中心坐標(biāo)；[x,y,-f]為像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；[X,Y,Z]為像點(diǎn)在像空間輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置；[X,Y,Z]GPS為相機(jī)曝光時刻記錄的攝站點(diǎn)GSP坐標(biāo)位置；[x,y,z]GPS為GPS天線相位中心在像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；[aX，aY，aZ]和[bX，bY，bZ]分別為GPS線性偏移系統(tǒng)誤差改正參數(shù)中固定部分和隨時間變化部分；t表示該曝光點(diǎn)的曝光時刻，t0為參考時刻。

1.3 地面基站架設(shè)要求

大量工程實(shí)踐表明，進(jìn)行諸如1 ∶500的大比例尺測圖，需要在測區(qū)范圍內(nèi)架設(shè)地面基站，從而獲得更加穩(wěn)定的衛(wèi)星信號、更高精度的航攝定位精度。在架設(shè)地面基站時，需要注意以下事項(xiàng)：(1)基站的設(shè)置及作業(yè)半徑對RTK的測量精度和作業(yè)速度有直接影響。基準(zhǔn)站應(yīng)盡量架設(shè)在地勢較高的地方，而且要遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾源和大面積的信號反射物。(2)RTK技術(shù)本身是依賴于GPS衛(wèi)星定位的，它的使用要有4顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，如果所在地本身接受GPS的信號就很差，那RTK也沒有什么作用。另外在有大面積信號反射物的地方是無法定位的，如高層建筑附近、茂密的森林等；強(qiáng)電磁源也會干擾信號，如高壓輸電線附近、變電站等，在云層較厚的時候也有影響。

2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 采用無人機(jī)航攝系統(tǒng)

本次項(xiàng)目試驗(yàn)采用了天狼星無人機(jī)RTK航測遙感系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載著拓普康GNSS接收機(jī)，采樣頻率高達(dá)100 Hz，可實(shí)現(xiàn)100 Hz RTK數(shù)據(jù)更新。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，該系統(tǒng)平面精度可達(dá)5 cm，高程精度達(dá)10 cm，可以滿足1 ∶500～1 ∶2 000測圖要求[6]。具體天狼星無人機(jī)RTK航測遙感系統(tǒng)平臺構(gòu)成見圖2。

2.2 試驗(yàn)區(qū)概況

為了測試該無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)能否達(dá)到園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中平面、高程精度，本試驗(yàn)選取了江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院主校區(qū)，范圍約0.4 km2，長800 m，寬500 m，校區(qū)以教學(xué)樓、操場、空地為主，地形平坦(圖3)，于2017年5月采用天狼星無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了低空航攝數(shù)據(jù)采集，起飛共1架次。因采用了天狼星無人機(jī)RTK航測遙感系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)少控制測圖，本項(xiàng)目在測區(qū)內(nèi)一個已知點(diǎn)上架設(shè)了基站，用于坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，未另測像控點(diǎn)。

2.3 航攝計(jì)劃創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)定

考慮到測區(qū)地形平坦，實(shí)地工作環(huán)境溫度最高25 ℃，風(fēng)力最大4級。根據(jù)園林設(shè)計(jì)1 ∶500地圖需求，同時為保證無人機(jī)安全航飛，設(shè)定參數(shù)為：地面采樣間隔5 cm，飛行航高約200 m，采用MA Vinci Desktop程序下進(jìn)行航線設(shè)計(jì)、航飛監(jiān)控，航飛帶寬為300 m。

航飛拍攝的影像數(shù)據(jù)見圖4，影像清晰，細(xì)節(jié)清楚，色彩飽和，影像分辨率達(dá)到了5 cm。

2.4 無人機(jī)航攝系統(tǒng)測制大比例尺地形圖

待航攝影像飛行完，經(jīng)地面檢查無質(zhì)量問題，利用天狼星無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)配套的AgiSoft PhotoScan Pro程序進(jìn)行快速空三，直接生產(chǎn)DOM、DEM數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)到立體測圖工序。區(qū)別于傳統(tǒng)的立體測圖技術(shù)，此次試驗(yàn)采用了EPS軟件進(jìn)行裸視三維立測，便于學(xué)院推廣使用。

無人機(jī)航攝系統(tǒng)測制大比例尺地形圖工作流程見圖5。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度分析

本項(xiàng)目實(shí)測數(shù)據(jù)采用GPS RTK方式進(jìn)行采集，對于 1 ∶500 無人機(jī)大比例尺測圖而言，平面精度相對容易達(dá)到，而高程按航測規(guī)范需達(dá)到1 ∶500測圖精度對于一般主流無人機(jī)航攝系統(tǒng)高程精度很難保證，因此本次精度分析更加側(cè)重在硬化路面、操場等平地的平面高程進(jìn)行精度驗(yàn)證，布設(shè)了27個外業(yè)檢查點(diǎn)和DOM成果數(shù)據(jù)套合檢查分布見圖6。

此次試驗(yàn)27個檢查點(diǎn)平面、高程精度較差(表1)。

表1 測區(qū)平面、高程精度分析

其中，平面差值最大為0.15 m，平均中誤差為0.05 m；高程差值最大為0.12 m，平均高程中誤差為0.08 m。綜合評價無人機(jī)航攝高程精度約為2×GSD，可以實(shí)現(xiàn)10 cm的高程精度。

根據(jù)CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》[7]對平地地形的1 ∶500測圖產(chǎn)品的精度要求，平面中誤差為 0.3 m，高程中誤差為0.2 m，通過精度統(tǒng)計(jì)分析，本次試驗(yàn)精度完全可滿足我國1 ∶500成圖3D產(chǎn)品要求。具體測圖成果見圖7。

3 結(jié)論與展望

從試驗(yàn)和分析可以看出，采用機(jī)上實(shí)時RTK輔助測圖可以滿足1 ∶500大比例尺測圖精度要求。采用基于無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)平臺的機(jī)上實(shí)時RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)小范圍的地形測繪，大大減少野外像控點(diǎn)數(shù)量，縮短成圖周期，降低作業(yè)成本。隨著無人機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)、航拍、基建、巡檢、警用和消防領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，伴隨著國家空域主管部門對中低空無人機(jī)航空試點(diǎn)的逐步放開，小型化的無人機(jī)航空攝影測量，采用機(jī)上實(shí)時RTK技術(shù)為無人機(jī)提供了新的高精度定位系統(tǒng)，可為園林規(guī)劃設(shè)計(jì)、用圖提供新的技術(shù)手段，應(yīng)用前景廣闊。