張斗龍 張海軍

（浙江東震土地規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 浙江德清 313200）

1 引言

基于復(fù)合翼無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用相比于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)手段具其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，操作簡單、應(yīng)用范圍廣泛、效率高、成本低。目前已經(jīng)越來越多的單位采用該種方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)[1-3]。本文以河北省太行山某復(fù)雜地形區(qū)域的一處礦山進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測(cè)量研究。而在本次研究過程中，基于當(dāng)下最新的復(fù)合翼無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，對(duì)于該地區(qū)進(jìn)行測(cè)繪，作業(yè)效率大大提高，并且作業(yè)的安全系數(shù)也得到極大提高。

2 地形圖航測(cè)方案

2.1 復(fù)合翼無人機(jī)

在以往無人機(jī)測(cè)繪行業(yè)中，固定翼和多旋翼無人機(jī)為無人機(jī)航空攝影測(cè)量的兩大主流機(jī)型。其中，固定翼無人機(jī)的主要原理是依靠螺旋槳或者渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力作為飛機(jī)向前飛行的動(dòng)力，主要的升力來自機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而多旋翼無人機(jī)是依靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力來平衡飛行器的重力，讓飛行器可以飛起來，通過改變每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。但是這兩種飛行方式均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表1 所示：

表1 固定翼和多旋翼無人機(jī)主要優(yōu)缺點(diǎn)

研究項(xiàng)目采用多旋翼和固定翼相結(jié)合的總體設(shè)計(jì)方案，即：復(fù)合翼無人機(jī)，該類型無人機(jī)在無需加裝復(fù)雜轉(zhuǎn)換裝置的情況下，使飛行器同時(shí)具備了垂直起降和高速巡航的能力，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；具備了多旋翼飛行器優(yōu)勢(shì)的不需要跑道和起降空域，這種優(yōu)勢(shì)保證它能在山區(qū)、丘陵、叢林等復(fù)雜地形和建筑物密集的區(qū)域順利作業(yè)，極大擴(kuò)展了無人機(jī)應(yīng)用范圍；綜合多旋翼和固定翼的力學(xué)特性，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，并充分利用了復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下有效降低了飛行器的結(jié)構(gòu)重量。因此復(fù)合翼無人機(jī)是航空攝影測(cè)量領(lǐng)域無人機(jī)的理想選擇，其主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本次研究區(qū)域地處礦區(qū)，周圍地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此綜合考慮，本次研究選取CW-20 大鵬無人機(jī)進(jìn)行飛行，其主要參數(shù)如表2 所示。本次航空攝影航空攝影，掛載尼康D810 相機(jī)全畫幅高分辨率數(shù)字?jǐn)z影相機(jī)。

圖1 復(fù)合翼無人機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

表2 無人機(jī)主要參數(shù)

2.2 航測(cè)流程

項(xiàng)目實(shí)施中，首先根據(jù)測(cè)量學(xué)原理將拍攝的相片整合成立體模型，再采用標(biāo)識(shí)的方式在模型上進(jìn)行地物判讀和相應(yīng)的測(cè)繪，最后制作成滿足生產(chǎn)要求的地理信息數(shù)據(jù)成果，主要包括：數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）、三維模型。作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)航空攝影作業(yè)流程

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 控制點(diǎn)布測(cè)

在成圖過程中，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地形特點(diǎn)以及最終成圖精度，總共均勻布設(shè)九像控點(diǎn)個(gè)。采用RTK差分定位的方式，定位精度保持在厘米級(jí)別，在平面和高程的精度確定上，不能超過±2 厘米的范圍。這樣才能夠在保持測(cè)量精度的條件下有效提高野外作業(yè)的效率。除此之外，為了使得像控點(diǎn)在測(cè)量后期便于識(shí)別，需要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，可以在控制點(diǎn)位置噴涂“L”字樣，用于后期識(shí)別。

航空攝影坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000 國家大地坐標(biāo)系，中央子午線115 度30 分，投影面為參考橢球面，高程系統(tǒng)為1985 國家高程基準(zhǔn)。

3.2 影像數(shù)據(jù)采集

對(duì)于礦區(qū)的影像數(shù)據(jù)采集需要通過測(cè)區(qū)踏勘、航線設(shè)計(jì)、航測(cè)實(shí)施等。步驟如下：

（1）在影像數(shù)據(jù)采集前，對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行踏勘，在此過程中要對(duì)飛行區(qū)域、航攝高度、起降點(diǎn)以及航向重疊度、旁向重疊度進(jìn)行選擇和確定，將確定好的參數(shù)輸入到智能航測(cè)系統(tǒng)中，利用"無人機(jī)管家"的軟件進(jìn)行航線的智能規(guī)劃；

（2）根據(jù)確定好的無人機(jī)航線，通過無人機(jī)智能航測(cè)飛行管理軟件進(jìn)行智能定點(diǎn)，控制無人機(jī)的降落、飛行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。無人機(jī)的航測(cè)狀況通過地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按照傳感器的曝光速率對(duì)搭載相機(jī)曝光時(shí)刻的相關(guān)GPS 數(shù)據(jù)和飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄；

（3）對(duì)采集到的航測(cè)影像進(jìn)行導(dǎo)出，從無人機(jī)機(jī)載相機(jī)的儲(chǔ)存卡導(dǎo)出到所用的檢測(cè)計(jì)算機(jī)中，從而完成礦區(qū)的航測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作[4]。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

利用無人機(jī)與相匹配的航空攝影數(shù)據(jù)處理軟件“無人機(jī)管家”進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，并且完成數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。后續(xù)內(nèi)業(yè)的主要工作內(nèi)容有：航測(cè)影像的空三加密、DEM、DOM、DLG 以及三維模型的制作等。

4.1 空三加密

航測(cè)影像的空三加密主要是利用在野外采集的平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)，在內(nèi)業(yè)進(jìn)行控制點(diǎn)的加密，從而獲得加密點(diǎn)的平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)的解析計(jì)算過程中，首先需要通過計(jì)算機(jī)對(duì)于加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)和航測(cè)影像外方位元素進(jìn)行解算，并將其作為POS 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)用于空三加密過程[5]。然后將此次礦山測(cè)繪的航測(cè)影像中的外業(yè)控制點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)、以及POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，利用后處理軟件進(jìn)行空三加密的自動(dòng)計(jì)算。

4.2 DEM 與DOM 制作

根據(jù)空三加密計(jì)算所得的結(jié)果，對(duì)航測(cè)影像中的原始影像進(jìn)行重新采樣，從而生成影像，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠根據(jù)自動(dòng)匹配三維離散點(diǎn)，從而得到礦山航測(cè)區(qū)域的數(shù)字地表模型（Digital Surface Model,簡稱DSM），然后對(duì)DSM 進(jìn)行濾波從而得到DEM。

得到DEM 數(shù)據(jù)后，需要利用數(shù)據(jù)對(duì)航測(cè)影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，并且進(jìn)行影像重新采樣，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、色彩增強(qiáng)、鑲嵌，從而得生成信息豐富而又直觀數(shù)字正射影像圖，即DOM。該成果可以作為地圖分析的背景以及評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以利用該數(shù)據(jù)提取新的數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)礦區(qū)測(cè)繪地形圖的修測(cè)和更新。

4.3 圖形輸出與項(xiàng)目成果

DOM 得到后需要利用DEM 對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕㄟ^拼接生成礦區(qū)測(cè)量區(qū)域的完整底圖。將區(qū)域底圖的整體導(dǎo)入VirtuoZoNT 軟件中，根據(jù)軟件操作的規(guī)范化要求進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，從而生成數(shù)字線畫圖[6]。以下為本項(xiàng)目所輸出的成果數(shù)據(jù)，如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 測(cè)區(qū)數(shù)字正射影像圖

圖4 測(cè)區(qū)數(shù)字高程模型圖

圖5 測(cè)區(qū)三維模型

圖6 測(cè)區(qū)平面地形圖

5 精度檢測(cè)

項(xiàng)目成果主要通過計(jì)算外業(yè)校核點(diǎn)和加密結(jié)算點(diǎn)的平面中誤差以及高程中誤差來評(píng)定成圖精度。在研究區(qū)中均勻選擇20 個(gè)校核點(diǎn)，并利用GPSRTK 流動(dòng)施測(cè)其三維坐標(biāo)（X,Y,H）；再將校核點(diǎn)的三維坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)的加密解算點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算三維坐標(biāo)的絕對(duì)誤差ΔX、ΔY、ΔH 和ΔS；最后采用式（1）、式（2）計(jì)算得到Ms 和Mh。精度檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果：Ms=0.498 和Mh=0.307，符合國家測(cè)量規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

本地區(qū)的地形測(cè)繪如果采用以往傳統(tǒng)的全野外人工測(cè)量，效率低，成本高，并且由于礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，存在極大的安全隱患。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在礦山測(cè)繪工程中的應(yīng)用需求不斷上升。無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)一方面能夠協(xié)助工作人員便捷、快速地獲取信息和技術(shù)，另一方面通過無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能夠大大提高礦山測(cè)繪工作的效率。

項(xiàng)目實(shí)施中采用最新的復(fù)合翼無人機(jī)來進(jìn)行航空攝影，該無人機(jī)平臺(tái)能同時(shí)解決多旋翼的續(xù)航問題和固定翼的場(chǎng)地要求高、無法懸停問題，能適應(yīng)不同復(fù)雜地形，并且它擁有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，目前以及成為無人機(jī)航空攝影行業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

采用無人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)獲取了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，研究成果對(duì)于其他類似礦區(qū)的治理和修復(fù)工作提供了參考依據(jù)，并拓展了復(fù)合翼無人機(jī)的作業(yè)范圍，具有實(shí)踐意義。