楊乾

中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴州貴陽(yáng) 550081

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)原始地表產(chǎn)生了很大的影響，為了不影響社會(huì)主義現(xiàn)代化的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，對(duì)國(guó)家大地地理信息數(shù)據(jù)的更新具有很大的迫切性；無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，其具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，隨著無(wú)人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)字航攝技術(shù)已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)與航空攝影測(cè)量相結(jié)合使得“無(wú)人機(jī)數(shù)字低空遙感”成為航空遙感領(lǐng)域的一個(gè)嶄新發(fā)展方向，無(wú)人機(jī)航拍可廣泛應(yīng)用于國(guó)家重大工程建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急與處理、國(guó)土監(jiān)察、資源開(kāi)發(fā)、新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面，尤其在基礎(chǔ)測(cè)繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取等方面具有廣闊前景[1]。

1 使用小飛機(jī)航測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

為了響應(yīng)國(guó)家的能源政策：節(jié)能減排、大力發(fā)展新能源！ 其中新能源-太陽(yáng)能光伏發(fā)電迎來(lái)了發(fā)展的春天；在以往光伏電站的建設(shè)所需第一手測(cè)繪資料是通過(guò)傳統(tǒng)的測(cè)繪方法人工跑點(diǎn)（地形特征點(diǎn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)方法的作業(yè)流程為：收集資料-現(xiàn)場(chǎng)踏勘-選點(diǎn)埋石-控制測(cè)量-碎部測(cè)量-生產(chǎn)地形成果文件；相對(duì)于無(wú)人機(jī)航測(cè)其缺點(diǎn)有：（1）測(cè)繪外業(yè)作業(yè)周期長(zhǎng)、外業(yè)工作量大，人工成本高。（2）工作效率受地形地貌影響較大。（3）成果文件不直觀準(zhǔn)確，不利于設(shè)計(jì)、業(yè)主使用。小飛機(jī)航測(cè)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性（2）正射影像分辨率高、DSM精度高。（3）成本造價(jià)低，飛機(jī)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格低廉，使用費(fèi)用也很低，且低空飛行空域申請(qǐng)方便。（4）測(cè)量周期短、受氣候影響較小、對(duì)起降場(chǎng)地的要求限制較小。（5）操作簡(jiǎn)單、運(yùn)輸便利。我們國(guó)家面積遼闊，地形和氣候復(fù)雜，很多區(qū)域常年受積雪、云層等因素影響，導(dǎo)致衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的采集受一定限制。傳統(tǒng)的大飛機(jī)航飛國(guó)家有規(guī)定和限制；而無(wú)人小飛機(jī)就很好的解決了這些問(wèn)題。不受航高限制，成像質(zhì)量、精度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大飛機(jī)航拍[2]。

2 小飛機(jī)航測(cè)主要工作流程

圖1 航測(cè)技術(shù)流程

3 影像處理

（1）影像重疊度：由于小飛機(jī)本身重量較輕、像幅較小、受風(fēng)力影響較大，導(dǎo)致飛行空中飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、相片變形大、影像重疊度達(dá)不到大飛機(jī)的指標(biāo)要求。

（2）相機(jī)檢校：小飛機(jī)所搭載的相機(jī)為非專(zhuān)業(yè)航測(cè)相機(jī)，影像像幅較小，且鏡頭畸變較大。

（3）像控點(diǎn)：增加地面像控點(diǎn)，人為提高照片精度；普通無(wú)人機(jī)pos系統(tǒng)定位精度不高，不能滿足航測(cè)規(guī)范的精度要求[3]。

（4）飛行高度主要影響的是飛行航片中的GSD(每個(gè)像素的實(shí)際大小)，飛行高度的變化必然會(huì)影響航片相幅的大小，飛行高度與GSD的關(guān)系值。通過(guò)分析數(shù)據(jù)可以得出，飛機(jī)離地面越近，GSD 數(shù)值越小，則精度越高。從中也發(fā)現(xiàn)，地面起伏變化大的地區(qū)選取合適的飛行高度對(duì)提高精度也是相當(dāng)重要的。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)概況

本次選用工程為貴州省黔西南州貞豐縣某光伏電廠100MWp地形圖測(cè)繪工程，項(xiàng)目在東經(jīng)105°33＇0．19＂，北緯25°21＇58．77＂的位置，測(cè)區(qū)面積為2．5km2，平均海拔約1400 m，高差不超過(guò)200 m，測(cè)區(qū)主要為旱地及少部分灌木地。

4.2 試驗(yàn)的目的

本項(xiàng)目利用大疆精靈Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)飛行，航高為150m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，共飛行9個(gè)架次，航拍照片共1632 張，相片分辨率為5472× 3648 像素；在航拍區(qū)域共布設(shè)61個(gè)外業(yè)像控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)1: 1000 比例尺航測(cè)立體成圖，以及高精度DSM、DOM 數(shù)據(jù)的快速獲取。

4.3 數(shù)據(jù)獲取

采用南方銀河6 GNSS接收機(jī)做好外業(yè)靜態(tài)控制，GPS-RTK布設(shè)像控點(diǎn)，大疆精靈Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)采集相片數(shù)據(jù)[4-5]。

圖2 外業(yè)工作照片

在野外航拍結(jié)束后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理分析。小飛機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云分類(lèi)處理、生成DOM和DSM、三維測(cè)圖等幾個(gè)步驟。

本試驗(yàn)試驗(yàn)Pix 4D軟件進(jìn)行空三測(cè)量與DOM和DSM生成，起具體流程如下圖：

圖3 Pix 4D數(shù)據(jù)處理流程

Pix 4D生成的DOM和DSM利用清華山維EPS3D Survey 三維測(cè)圖系統(tǒng)生成DEM數(shù)字高程模型，在三維模型上獲取地形數(shù)據(jù)信息，采集房屋、道路、地形、地貌等。等高線生成通過(guò)EPS 3D提取地形高程點(diǎn)，利用南方CASS 9．1生成三角網(wǎng)后在生成等高線，形成最終地形成果文件；成果文件如下：

圖4 1:1000地形圖成果

4.4 成果精度分析

為了驗(yàn)證地形圖的精度，在測(cè)區(qū)采用GPS-RTK實(shí)地測(cè)量部分地形特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，通過(guò)實(shí)地GPS-RTK測(cè)量獲得的檢查點(diǎn)坐標(biāo)與地形圖上的坐標(biāo)對(duì)比來(lái)判斷檢查點(diǎn)點(diǎn)位中誤差和高程中誤差是否滿足測(cè)繪大比例地形圖的規(guī)范要求[6]。

本次在測(cè)區(qū)均勻地實(shí)測(cè)了30個(gè)電桿、50個(gè)房角點(diǎn)、53個(gè)像控點(diǎn)（校核點(diǎn)）、路面高程點(diǎn)23個(gè)、散墳26個(gè)和田坎75個(gè)，通過(guò)計(jì)算點(diǎn)位平面中誤差和高程中誤差進(jìn)行精度分析。依據(jù)中誤差公式求解出檢查點(diǎn)的平面中誤差M△XY，如下公式所示：

式中n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)

高程中誤差M△H，如下公式所示：

式中n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)

根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50026-2007）5．1．5 表 5．1．5-1和表5．1．5-2的要求：平面誤差規(guī)范規(guī)定主要地物為 圖上0．6mm= 實(shí)地 0．6×1000=0．60m

高程誤差規(guī)范規(guī)定≦6°等高線中誤差 圖上0．5Hd =實(shí)地0．5×1m=0．50m

經(jīng)計(jì)算測(cè)量結(jié)果精度滿足《工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50026-2007）5．1．5表5．1．5-1和表5．1．5-2中1:1000地形圖的精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

小飛機(jī)航測(cè)技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而開(kāi)始使用的一門(mén)新技術(shù)，通過(guò)在同一無(wú)人飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器能夠快速還原真實(shí)世界。本文小飛機(jī)航測(cè)系統(tǒng)生成了真實(shí)三維模型，然后利用清華山維EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)采集地形要素，制作大比例尺地形圖。通過(guò)房角點(diǎn)、地物點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比計(jì)算，驗(yàn)證了該方法繪制的地形圖在平面和高程上均可以滿足1∶1000 地形圖的精度要求，可為生產(chǎn)大比例尺地形圖提供理論依據(jù)。

（1）根據(jù)結(jié)果可證：在測(cè)區(qū)高差變化不大的區(qū)域設(shè)置相對(duì)航高150m時(shí)：生成的數(shù)據(jù)精度可靠，影像分辨率達(dá)到規(guī)范的要求，生產(chǎn)效率大大提高；滿足1:1000大比例地形圖測(cè)量的精度要求。

（2）在航高不變的情況下：使用8～61個(gè)相控點(diǎn)作為平高控制點(diǎn)進(jìn)行空三計(jì)算，實(shí)際對(duì)比發(fā)現(xiàn)高程精度提高不明顯；若采用7個(gè)或7個(gè)以下相控點(diǎn)作為平高控制點(diǎn)進(jìn)行空三計(jì)算，對(duì)比發(fā)現(xiàn)高程精度受平高點(diǎn)影像較大。因此，本項(xiàng)目推薦使用均勻分布在測(cè)區(qū)周?chē)?0個(gè)平高控制點(diǎn)[7]。

（3）利用小飛機(jī)低空攝影測(cè)量獲得的地形點(diǎn)點(diǎn)位精度滿足1:1 000數(shù)字地形圖測(cè)繪的平面精度及高程精度的要求。但由于小飛機(jī)姿態(tài)差、受風(fēng)力影響較大，在外業(yè)小飛機(jī)航測(cè)作業(yè)時(shí)需按照航測(cè)外業(yè)規(guī)范要求，降低影響無(wú)人機(jī)航拍影像質(zhì)量的外界因素、提高影像精度。

（4）絕大多數(shù)地物點(diǎn)都能在正射影像（DOM）中準(zhǔn)確判讀，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)被遮擋的地物如電桿、散墳和地下管線等不能直接在正射影像中準(zhǔn)確獲取的，應(yīng)采用常規(guī)全站儀或GPS-RTK進(jìn)行野外實(shí)測(cè)補(bǔ)繪[8-9]。

表1 與全野外數(shù)字測(cè)圖法精度比較

表2 DOM與DEM分辨率單位：m

表3 不同比例尺DOM與DEM分辨率要求，單位：m

（5）在地物簡(jiǎn)單的地方、地形特征變化規(guī)律的地方采用小飛機(jī)航測(cè)進(jìn)行1:1000大比例尺測(cè)圖工作：其測(cè)繪成果精度高、影像分辨率高、成果疊加影像顯示直觀、能較大的節(jié)約生產(chǎn)成本，提高工作效率[10]。