鐘青，趙茹玥，劉傳逢，魏逸飛，吳嵩，張?jiān)葡?/p>

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

無人機(jī)航測具有機(jī)動(dòng)靈活、快速高效、精細(xì)準(zhǔn)確、操作簡單、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，在小地塊和密集建筑地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢。可廣泛用于工程測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測和應(yīng)急救災(zāi)測繪數(shù)據(jù)獲取等多個(gè)領(lǐng)域[1]。無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)，可快速進(jìn)行二維、三維重建工作，完成數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)及三維模型制作，基于三維模型裸眼測圖技術(shù)進(jìn)行1∶500數(shù)字線劃圖生產(chǎn)。

搭載實(shí)時(shí)RTK定位的無人機(jī)獲取的正射影像具有高精度POS數(shù)據(jù)，采用免像控技術(shù)可快速進(jìn)行三維模型重建，基于三維模型可以完成1∶500數(shù)字測圖工作。但受限于GPS高程異常影響，三維建模高程精度難以達(dá)到規(guī)范要求。

為了解決上述問題，本文以DJI P4R無人機(jī)為例，選取城市密集建筑區(qū)域進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，規(guī)劃正射影像獲取影像數(shù)據(jù)，通過似大地水準(zhǔn)面模型對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行高程精化，采用DJI Terra軟件進(jìn)行三維模型重建[2]。結(jié)合地面控制點(diǎn)對(duì)三維模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，分析驗(yàn)證無人機(jī) 1∶500在城市密集建筑區(qū)測圖的可行性與可靠性。

2 DJI P4R無人機(jī)系統(tǒng)簡介

DJI P4R為多旋翼無人機(jī)，如圖1所示。將大疆先進(jìn)的飛控技術(shù)與厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)、高精度成像系統(tǒng)相結(jié)合，TimeSync系統(tǒng)、飛控、相機(jī)與RTK時(shí)鐘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)同步，相機(jī)成像時(shí)刻毫秒級(jí)誤差，可以獲取精準(zhǔn)的POS數(shù)據(jù)。多旋翼無人機(jī)起飛靈活，空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定，可調(diào)整云臺(tái)角度，適合高精度航空攝影測量[3]。無人機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 DJI P4R無人機(jī)

DJI P4R無人機(jī)技術(shù)參數(shù) 表1

3 無人航測作業(yè)方法

無人機(jī)航空攝影測量主要包括技術(shù)準(zhǔn)備，航線規(guī)劃，外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)[4]，基本流程圖如圖2所示。

圖2 無人航測作業(yè)的基本流程

4 項(xiàng)目試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過實(shí)地試驗(yàn)，實(shí)踐完成DJI P4R無人機(jī)航測作業(yè)的整個(gè)流程，根據(jù)無人機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析設(shè)備免像控技術(shù)生成三維模型的整體精度，判定DJI P4R無人機(jī)作業(yè)能否滿足在城市密集高建筑區(qū)生產(chǎn)1∶500比例尺地形圖的精度要求。

4.2 測區(qū)概況

本次試驗(yàn)區(qū)位于武漢市青山區(qū)和平大道，為城市繁華鬧市區(qū)，人車流量大，街道兩側(cè)多層建筑物密集，整個(gè)測區(qū)長約 5 000 m，寬約 200 m。根據(jù)測區(qū)范圍設(shè)計(jì) 200 m帶狀區(qū)域飛行，飛行空域不涵蓋禁飛區(qū)，實(shí)際航測范圍如圖3所示。

圖3 航測范圍示意圖

本次航測成果平面基準(zhǔn)采用武漢2000坐標(biāo)系(基于CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)的武漢市獨(dú)立坐標(biāo)系)，高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

4.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

按照航測規(guī)范要求，在DJI P4R遙控器中導(dǎo)入測區(qū)KML格式范圍線，進(jìn)行航線規(guī)劃和飛行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)測區(qū)長度和地面建筑高度變化情況，將測區(qū)分割為4個(gè)航帶范圍分區(qū)作業(yè)，平行道路方向規(guī)劃正射航線。

在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)12個(gè)地面控制點(diǎn)，利用WHCORS-RTK方法采集目標(biāo)坐標(biāo)系控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，作為三維模型精度檢查點(diǎn)。

采用定時(shí)拍照模式，飛行過程中，實(shí)時(shí)觀察遙控器圖傳畫面，當(dāng)飛行器抵近高層建筑時(shí)，手動(dòng)操作遙控器后退搖桿，降低飛行速度，增加拍照數(shù)量，以提高建筑區(qū)航向重疊度，提高三維模型精度。

本次項(xiàng)目航線設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下：

(1)相對(duì)航高：100 m～150 m

(2)地面分辨率：2.74 cm～4.11 cm

(3)航向重疊度：80%

(4)旁向重疊度：75%

(5)飛行速度：7.9 m/s

(6)拍照模式：定時(shí)拍攝

(7)坐標(biāo)系統(tǒng)：CGCS2000

4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

本次航測外業(yè)完成4個(gè)飛行架次，共獲取854張正射航片，所有POS數(shù)據(jù)均為固定解。

由于無人機(jī)外業(yè)采集的坐標(biāo)為CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下的大地坐標(biāo)B、L，大地高H，建模之前需要將坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換為WH2000坐標(biāo)系下的高斯平面直角坐標(biāo)x、y和正常高h(yuǎn)。

利用DJI Terra軟件導(dǎo)入所有照片，導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)，利用武漢市似大地水準(zhǔn)面精化應(yīng)用程序進(jìn)行高程異常改正，如圖4所示，將大地高H轉(zhuǎn)換到1985國家高程基準(zhǔn)下的正常高h(yuǎn)，修改POS數(shù)據(jù)中的高程值，重新導(dǎo)入至建模軟件。

圖4 似大地水準(zhǔn)面精化

似大地水準(zhǔn)面精化計(jì)算公式為：

h正常高=H大地高-ξ

建立高斯投影地方坐標(biāo)系PRJ文件，導(dǎo)入DJI Terra軟件，將建模成果投影到WH2000坐標(biāo)系[5]。

采用免像控方案，基于高程精化改正后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密及三維建模工作。在建模軟件中導(dǎo)入地面像控點(diǎn)完成影像判讀、刺點(diǎn)工作。所有控制點(diǎn)均設(shè)置為檢查點(diǎn)，不參與空三約束平差，僅用作精度分析[6]。

5 精度分析

本項(xiàng)目以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)定向完成三維重建，地面檢查點(diǎn)來驗(yàn)證三維模型的精度；檢查點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi，yi，hi)，采用均方根(RMSE)分別計(jì)算水平分量中誤差dx，dy，高程中誤差dh。

精度較差計(jì)算公式為：

中誤差計(jì)算公式為：

根據(jù)公式，結(jié)合三維模型和對(duì)應(yīng)點(diǎn)檢查點(diǎn)坐標(biāo)值，計(jì)算得到地面檢查點(diǎn)精度，如表2、表3所示。水平分量中誤差dx為 0.027 m，dy為 0.022 m，高程中誤差dh為 0.065 m。其精度優(yōu)于 1∶500比例尺地形測圖要求。

地面檢查點(diǎn)精度比較 表2

檢查點(diǎn)均方根誤差 表3

6 結(jié) 語

本文以DJI P4R無人機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行1∶500大比例尺測圖的精度分析，選取城市密集高樓建筑區(qū)進(jìn)行航測試驗(yàn)。規(guī)劃任務(wù)航線，完成正射影像采集，獲取航測照片及高精度POS數(shù)據(jù)，影像分辨率優(yōu)于 5 cm。

利用武漢市似大地水準(zhǔn)面精化程序進(jìn)行POS數(shù)據(jù)高程異常改正(大地高-正常高)；制作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換PRJ文件(CGCS2000-WH2000)，進(jìn)行高斯投影變換；基于POS輔助空三的免像控技術(shù)進(jìn)行三維建模；利用WHCORS-RTK方法采集地面控制點(diǎn)作為像控點(diǎn)，進(jìn)行三維模型精度分析，經(jīng)計(jì)算，平面和高程中誤差均可滿足《城市測量規(guī)范》1∶500數(shù)字線劃圖要求。

因此，通過有效的航線規(guī)劃和POS數(shù)據(jù)高程精化處理，DJI P4R無人機(jī)能滿足生產(chǎn)1∶500比例尺地形圖的精度要求，從而提高無人機(jī)航測作業(yè)效率。