孫治華

(吉林省攝維測繪有限公司，吉林 長春 130012)

近年來快速發(fā)展起來的無人機測繪是將無人機技術(shù)運用于測繪領(lǐng)域而產(chǎn)生的新方向，是新型測繪技術(shù)與航空平臺技術(shù)、信息技術(shù)的高度集成，是對傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感測繪和有人機航空測繪的有效補充。無人機測繪具有結(jié)構(gòu)簡單、操縱靈活、使用成本低、反應(yīng)快速的特點，可以靈活、快速地獲取到高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢性的影像[1]。目前，測繪行業(yè)使用的無人機主要分為固定翼和多旋翼兩種，兩者各有優(yōu)缺點。固定翼無人機有飛行速度快、單架次飛行作業(yè)面積大等優(yōu)點，但對飛機起降場地有一定要求，并且不能在空中旋停，轉(zhuǎn)彎面積大，不利于小面積作業(yè)[2]。多旋翼無人機起降則比較簡單，沒有特殊的場地要求，可以在空中旋停，作業(yè)靈活，但它的作業(yè)時間短，抗風(fēng)能力差，作業(yè)效率相對要低?？偟膩碚f，多旋翼無人機是對傳統(tǒng)的有人機和固定翼無人機的一種補充[3]。本文以測量吉林省松原灌區(qū)大安片的一處帶狀形渣土場為例，闡述多旋翼無人機在本項目中從獲取影像到內(nèi)業(yè)解算、輸出1∶1000地形圖、精度分析等過程的實施過程。

1 項目概況與無人機平臺

1.1 項目概況

松原灌區(qū)涉及松原、白城、前郭、乾安、大安等，根據(jù)各片區(qū)所處的地理位置，將灌區(qū)分為前郭片、乾安片，大安片三部分。本項目所處在大安片區(qū)，本片區(qū)內(nèi)多為平原地區(qū)，地勢平坦、通信暢通；植被多為草地，有極少部分的旱地和水田。由于施工圖階段土料場和棄土場發(fā)生變化，需要對已實施的土料場和棄土場進行測繪。本文以一處帶狀渣土場測區(qū)進行內(nèi)容闡述，此測區(qū)全長約18km，寬約200m，中間是一條人工渠，兩邊堆有從渠中挖出的渣土，植被主要是草地。

1.2 無人機平臺

本次作業(yè)采用的無人機平臺為大疆精靈4Pro四旋翼無人機。起飛重量：1388g，飛行速度：小于10m/s，相機等效焦距：24mm，照片分辨率：5472×3648像素，重疊度：大于80%，相對航高：200m，地面分辨率：5cm，顯示設(shè)備：平板電腦，飛行控制APP∶DJI GO 4和Pix4Dcapture[4]。

2 無人機航測作業(yè)流程

2.1 實地勘察和布設(shè)像控點

作業(yè)人員對作業(yè)區(qū)域和周圍進行實地勘察，采集地形地貌、植被等信息，查看飛行區(qū)域內(nèi)有無對飛行產(chǎn)生影響的高大建筑物或地貌等，為場地的選取、航線規(guī)劃等提供資料。

由于所采用的無人機平臺沒有準(zhǔn)確的RTK差分POS數(shù)據(jù)且測區(qū)呈帶狀分布，所以為提高成圖精度，需要在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)地面控制點[5]。本次作業(yè)像控點布設(shè)在測區(qū)兩側(cè)，約每500m一對，平面采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，中央經(jīng)線123°，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)，平面及高程精度為2cm。

2.2 航線規(guī)劃

在現(xiàn)場組裝好無人機后，打開航線規(guī)劃APP∶Pix4Dcapture，如圖1所示。航線規(guī)劃要針對任務(wù)性質(zhì)和任務(wù)面積，綜合考慮天氣和地形等因素，規(guī)劃如何實現(xiàn)任務(wù)要求的技術(shù)指標(biāo)，實現(xiàn)基于安全飛行條件下的任務(wù)范圍最大覆蓋。由于本次作業(yè)測區(qū)較大，無人機單次作業(yè)面積有限，所以采用分段航線規(guī)劃，分段航攝作業(yè)，單架次飛行大約為200m寬、1.5km長。為延長無人機有效作業(yè)時間，返航點要與航攝作業(yè)的起終點在同一側(cè)，航線數(shù)規(guī)劃為雙數(shù)，圖1中的點為像控點，要保證像控點在航攝區(qū)域內(nèi)[6]。

圖1 航線規(guī)劃圖

2.3 航攝作業(yè)

當(dāng)航線規(guī)劃完成后，設(shè)置其它作業(yè)參數(shù)，作業(yè)返航高度為300m，作業(yè)高度為200m，重疊度為80%，然后將飛行計劃上傳至無人機，就可以開始進行飛行拍攝了。飛行過程中實時監(jiān)測飛行器的高度、速度、電量、飛行拍攝軌跡、溫度、風(fēng)速等。

當(dāng)遇到不正常情況時，地面人員要做出相應(yīng)的操控，使得飛行器正常工作。如有不可操控的緊急情況時進行一鍵返航操作。具體飛行過程如下：

(1)起飛：在飛行計劃上傳完成時，無人機會從反航點自動垂直上升至返航高度，然后平移至起點位置，再下降至作業(yè)高度。

(2)航線飛行：無人機到達作業(yè)起點位置和高度后，會按規(guī)劃的航線進行飛行定時拍攝。在一條航線的末端，無人機會90°轉(zhuǎn)向移至下一條航線，再90°轉(zhuǎn)向進行飛行拍攝。

(3)回收：無人機到達作業(yè)終點后，會從作業(yè)終點垂直上升至返航高度，然后平移至返航點，再垂直下降至地面。

(4)航攝質(zhì)量檢查：在完成航攝作業(yè)后，要在現(xiàn)場對作業(yè)數(shù)據(jù)進行檢查。檢查所拍照片數(shù)量與飛行軌跡是否與規(guī)劃航線一至；檢查有無拍攝效果不好的照片，有無遮擋像控點的照片。如果存在質(zhì)量問題，要進行重飛或補飛，如果質(zhì)量合格則外業(yè)航攝結(jié)束。

2.4 數(shù)據(jù)解算

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算使用Pix4Dmaper軟件，分為新建作業(yè)、概略刺點、全面刺點、初始化處理、輸出成果5步。

(1)新建作業(yè)：將外業(yè)質(zhì)量檢查后的照片導(dǎo)入到軟件，設(shè)置圖像的輸入地理位置坐標(biāo)系為WGS84，相機參數(shù)按圖2設(shè)置，選擇輸出坐標(biāo)系為：西安1980坐標(biāo)系3度分帶的41號帶，處理模板選擇3D地圖。

(2)概略刺點：由于本次作業(yè)中的像控點多達64個，如果直接全面刺點的話，工作量會很大，所以先進行概略刺點，軟件會進行自動計算匹配，再進行全面刺點的，工作量就會大大減少。在GCP/MTP管理器中導(dǎo)入控制點，分別在測區(qū)的首尾和中間地段各選擇一個像控點，每個像控點選刺3張照片，再進行初始化處理的快速檢測[7]。

圖2 相機參數(shù)設(shè)置圖

表2 相機自檢校誤差表

Facal LengithPrincipal Point xPrincipal Point yR1R2R3T1T2Initial Values3951.450[piexl]8.800[mm]2712.860[piexl]6.538[mm]1829.880[piexl]4.410[mm]0.004-0.0120.0110.0000.000Oplimized Values3654.396[piexl]8.807[mm]2713.988[piexl]6.541[mm]1829.745[piexl]4.410[mm]0.004-0.0100.010-0.0000.000Uncertainties(Sig-ma)0.142[piexl]0.000[mm]0.245[piexl]0.001[mm]0.207[piexl]0.000[mm]0.0000.0010.0010.0000.000

(3)全面刺點：概略刺點完成后，打開手動連接點編輯器，對包含像控點的照片依次刺刺點，因為已經(jīng)過概略刺點的匹配，所以每張照片的刺點位置只要微調(diào)就可以了，全面刺點完成后，保存即可。

(4)初始化處理：采用全面高精度處理，完成后會自動輸出質(zhì)量報告，在質(zhì)量報告中重點查看區(qū)域網(wǎng)空三誤差與相機自檢誤差[8]。

區(qū)域網(wǎng)空三誤差見表1，Mean Reprojection Error就是空三中誤差，以像素為單位。

相機自檢校誤差的上下兩個參數(shù)一般不能超過5%，R1，R2，R3，三個參數(shù)不能大于1，否則可能出現(xiàn)嚴(yán)重的扭曲，見表2。

(5)輸出成果：輸出的成果包含了DOM和DEM，在輸出成果前要設(shè)置分辨率參數(shù)為10cm/像素。

2.5 制作地形圖

制作地形圖使用清華山維的EPS軟件，主要分為DSM生成、立體采集、成果輸出。

(1)DSM生成：清華山維的三維采集模塊需要DOM與DSM一起使用，所以要先使用EPS將DOM和DEM合成一套ESM，為立體采集時所用[9]。

(2)立體采集：打開EPS的三維模塊，加載對應(yīng)的EOM和DSM，就可以進行地形圖的立體采集了。

(3)成果輸出：將DLG打印為紙圖，準(zhǔn)備外業(yè)調(diào)繪和檢查。

2.6 外業(yè)調(diào)繪、補測與檢查

(1)以編繪的底圖為外業(yè)工作圖，利用RTK，在實地與工作圖進行對比調(diào)繪，調(diào)繪的一般要求有：判讀準(zhǔn)確、描繪清楚、符號使用恰當(dāng)、位置準(zhǔn)確無誤等。

(2)補測的重點內(nèi)容有：內(nèi)業(yè)確定的疑問區(qū)、高植被區(qū)、水域、影像模糊區(qū)、新增地物等，這些區(qū)域要重新實測[10]。

(3)檢查以測斷面和地物的方式進行，每間隔100m測量一條斷面，以驗證高程精度；測量地物，以驗證平面精度。

3 精度分析

本項目全測區(qū)共2.97km2，實測斷面點和地物點共3714個，將其與所采集的DLG線劃圖對比，得出平面中誤差為0.32m，高程中誤差為0.18m。參考GBT 17278- 2009《數(shù)字地形圖產(chǎn)品基本要求》中的1∶500～1∶2000地形圖平面精度中誤差在平地、丘陵地不大于圖上0.6mm，高程注記點中誤差在平地不大于0.2m的要求，所以本次使用大疆精靈4Pro四旋翼微型無人機航測成圖項目完全符合1∶1000地形圖精度要求。

4 結(jié)語

無人機測量平臺以其結(jié)構(gòu)簡單、操縱靈活、低成本、反應(yīng)速度快等優(yōu)點，在專業(yè)測繪領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展，而多旋翼無人機在小面積測圖和特殊飛行環(huán)境下，有其自身的優(yōu)點。隨著旋翼無人機的載重量和相機等硬件發(fā)展以及低空雷達在測繪方面的應(yīng)用，相信今后，無人機測繪的平面和高程精度會有很大的提高，從而也會得到更廣泛的應(yīng)用。