潘莉
摘 要:隨著測繪技術(shù)的發(fā)展,無人機航拍已成為小區(qū)域地形測繪的主要手段。該文在闡述測繪儀器發(fā)展的基礎(chǔ)上,重點探討了無人機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,并以大疆精靈4 RTK無人機航測系統(tǒng)和ContextCapture軟件為例,梳理了小型多旋翼無人機進(jìn)行小區(qū)域航測生產(chǎn)正射影像圖工作的具體流程,為無人機航測技術(shù)在土地測繪中的應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞:無人機;攝影測量;土地測繪;應(yīng)用
中圖分類號 P217文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731(2021)13-0140-03
土地是地球表面某一地段包括地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、植被等多種自然要素在內(nèi)的自然綜合體,是人類社會得以存在和發(fā)展的基石。土地測繪就是對土地及其之上的附屬物進(jìn)行準(zhǔn)確空間定位的工作。無論是土地資源的調(diào)查與評價、國土空間規(guī)劃、各類用地監(jiān)測,還是土地生態(tài)修復(fù),準(zhǔn)確獲取地塊的空間位置信息都是各項工作進(jìn)一步開展的前提。而各種土地利用規(guī)劃方案的落地實施也都需要使用測繪技術(shù)將圖紙上的規(guī)劃成果測設(shè)到實地。因此,土地測繪是進(jìn)行土地管理工作的重要技術(shù)手段。
1 測繪儀器的發(fā)展歷程
測繪技術(shù)的發(fā)展史很大程度上是測繪儀器的發(fā)展史。測繪儀器直接關(guān)系到土地測繪成果的準(zhǔn)確性以及土地測繪工作的效率。由于技術(shù)落后,新中國建立后很長一段時間內(nèi),土地測繪實務(wù)中主要依賴羅盤儀、平板儀等測繪工具。這類設(shè)備在確定地面點空間坐標(biāo),特別是測定平面坐標(biāo)時,地形相對復(fù)雜的區(qū)域會產(chǎn)生較大誤差,如當(dāng)時在大比例尺地形圖碎步測量中應(yīng)用較為廣泛的大平板儀。水平距離及高差則均用視距法測定[1]。而視距法最主要的誤差來源于視距尺的讀數(shù)誤差,該誤差又會被望遠(yuǎn)鏡的視距乘常數(shù)所放大,而高差又受到距離誤差的影響,因此碎步測量中點的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確性不高。另外,在施測過程中,需要3~4人合作,工作強度較大,效率低。20世紀(jì)80年代之后,光學(xué)經(jīng)緯儀逐漸成為測繪工作中的主要設(shè)備。經(jīng)緯儀在角度測定的準(zhǔn)確性上有了較大提升,但是在距離測量上還是保持著控制測量以鋼尺測距,碎步測量以視距法測距為主的模式。90年代后,隨著光電測距技術(shù)、光電測角技術(shù)以及微處理器技術(shù)的發(fā)展,全站儀逐漸替代光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀,成為測繪行業(yè)中的主流設(shè)備,并成為真正意義上的數(shù)字化測繪設(shè)備。但是由于其價格較高,全站儀進(jìn)入市場初期還與普通光學(xué)測繪設(shè)備協(xié)同作業(yè)[2]。隨著市場的不斷擴大,全站儀價格大幅下降,目前已成為測繪設(shè)備的常規(guī)設(shè)備。近年來,以全站儀為基礎(chǔ)發(fā)展起來的三維激光掃描儀,結(jié)合與之配套的點云數(shù)據(jù)處理軟件、無控制點拼接技術(shù)、三維建模軟件以及車載移動平臺等,也已經(jīng)在礦山測繪、地下工程測繪、古建筑測繪、數(shù)字城市建模等領(lǐng)域開始應(yīng)用[3-6]。
雖然全站儀可以進(jìn)行數(shù)字化測圖,但是與傳統(tǒng)的光學(xué)測繪儀器一樣,其測定的都是空間點的相對位置。另外,全站儀測繪仍然受到視線阻礙的影響。全站儀在進(jìn)行土地測繪時,雖然較平板儀、經(jīng)緯儀更加準(zhǔn)確,工作效率也有所提升,但是在進(jìn)行大面積土地測繪、復(fù)雜地形地物測繪時仍需多人協(xié)同,工作強度和工作效率仍有待提高。衛(wèi)星定位技術(shù)特別是差分技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備需要“通視”的屏障,還可以測定絕對坐標(biāo),開啟了“單兵”測繪的數(shù)字化測繪模式,不僅極大降低了測繪工作強度,還有效提升了測繪工作效率。采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)靜態(tài)測量布設(shè)首級控制點,再利用GNSS實時動態(tài)差分(RTK)技術(shù)開展圖根控制測量,最后利用全站儀進(jìn)行碎步測量,可以獲得精度較高的測繪成果[7]。近年來,隨著網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的發(fā)展,連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)正在成為RTK測量的主流測量模式。目前在利用RTK進(jìn)行實際土地測繪中,最為常用的是由國家測繪部門組織建設(shè)的“全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)”(俗稱省CORS)和千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司建設(shè)運營的國家北斗地基增強系統(tǒng)“全國一張網(wǎng)”(俗稱千尋CORS)。其中千尋CORS以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為主體,兼容GPS、GLONASS、伽利略等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號,可提供厘米級高精度定位服務(wù),并且實現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)劃、組網(wǎng)及跨區(qū)域無縫服務(wù)。利用以上CORS系統(tǒng)進(jìn)行土地測繪,可直接測量得到CGS2000坐標(biāo)成果,并且完全滿足1∶500大比例尺地形圖測繪的需要。現(xiàn)階段,用全站儀和GNSS-RTK系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測繪已經(jīng)成為土地測繪中最主要的工作方式[8,9]。
2 無人機航測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
雖然以全站儀和GNSS為主流的數(shù)字化測圖技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,但是對于面積較大、地物分布密集的區(qū)域,全站儀結(jié)合GNSS-RTK聯(lián)合測繪的工作模式仍然存在一些問題:在地形測量時,測繪人員仍需測遍整個測區(qū),有時難免會遺漏一些重要碎步點;受通視條件制約,全站儀測繪時需要頻繁換測站;RTK測繪精度易受建筑、高大樹木、大面積水域及高壓線路的影響;人力、物力投入大,成本高,無法滿足各項土地測繪的整體性和時效性要求。而無人機航測技術(shù)以其機動性、低成本、高時效性等優(yōu)點,一經(jīng)出現(xiàn)即受到測繪工作者的青睞。
我國無人機的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代,80年代中期轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域研發(fā)。2008年汶川地震發(fā)生后,無人機在搶險救災(zāi)工作中的出色表現(xiàn)促進(jìn)了民用專業(yè)級無人機的發(fā)展。2010年法國Parrot公司生產(chǎn)的Parrot AR.DRONE投入市場,標(biāo)志著消費級無人機市場的開啟。2013年深圳大疆創(chuàng)新科技公司發(fā)布“大疆精靈”多旋翼無人機產(chǎn)品,在國內(nèi)掀起了無人機應(yīng)用的浪潮。在土地測繪工作中,最初只是借助無人機作為飛行平臺,搭載數(shù)碼相機進(jìn)行手動拍攝重疊影像,缺乏定位系統(tǒng),航拍系統(tǒng)缺乏整合性,空間位置精度不夠。隨后,大疆推出了精靈4 RTK無人機,新增了RTK導(dǎo)航定位系統(tǒng)、相機微秒級同步、APP航線規(guī)劃等功能,將厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)結(jié)合,提升了航測效率與精度,降低了作業(yè)難度和成本,徹底解決了之前固定翼無人機航拍系統(tǒng)價格高、操作復(fù)雜、靈活性不足等問題,目前已經(jīng)在大比例尺地形圖測繪[10]、自然資源督察[11]、不動產(chǎn)測繪、房地一體化測繪[12]、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測[13]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
3 小型旋翼無人機航測工作流程
在小型旋翼航測無人機中,大疆無人機因其操作方便、成本低廉,在小范圍土地測繪工作中被廣泛應(yīng)用。以大疆精靈4 RTK為例,在常用的RTK模式下獲取測區(qū)正射影像的工作流程如圖1所示。影像數(shù)據(jù)處理采用Bentley公司的ContextCapture軟件(簡稱CC)。整個工作流程可分為航測準(zhǔn)備、航線規(guī)劃、相機參數(shù)設(shè)置、航拍作業(yè)和影像處理5個階段。
3.1 航測準(zhǔn)備 航測準(zhǔn)備是到達(dá)測區(qū)之前應(yīng)提前做好的前期準(zhǔn)備工作。其中飛行器準(zhǔn)備工作要求配備足夠數(shù)量的飛行電池。通常每塊大疆精靈4 RTK的電池正常飛行18~24min,而充電時間約為50min。具體每塊電池的工作時間不僅與測區(qū)面積和形狀、飛行高度、重疊率等有關(guān),還與電池使用壽命及當(dāng)時氣溫有關(guān)。測繪人員可根據(jù)需要攜帶多塊電池和充電器,邊用邊充,以便航拍工作“無縫”連接,以提高作業(yè)效率。除此之外,還應(yīng)考慮遙控器電池的使用時間,最好預(yù)備1塊備用電池以便輪流充電使用。另外,測區(qū)范圍應(yīng)提前準(zhǔn)備,建議采用相關(guān)地圖軟件制作的測區(qū)地標(biāo)kml文件導(dǎo)入遙控器中使用,該方法比在遙控器界面中手繪測區(qū)范圍更精確。雖然大疆精靈4 RTK可以在免像控點的情況下進(jìn)行測圖,但控制點能有效提高飛行器航測成圖的精度。因此,合理布設(shè)像控點,準(zhǔn)確測定其坐標(biāo)是航測準(zhǔn)備階段的1個重要環(huán)節(jié)。
3.2 航線規(guī)劃 航線規(guī)劃首先要保證飛行器遙控器的網(wǎng)絡(luò)連通。通過遙控器上安裝有sim卡的4G網(wǎng)卡來實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng),并用網(wǎng)絡(luò)RTK賬號正確登陸服務(wù)器,并確保RTK獲得固定解。如果只對測區(qū)進(jìn)行正射影像數(shù)據(jù)采集,則可只采用攝影測量2D的航線規(guī)劃方式,以節(jié)省航拍時間。航線規(guī)劃中最重要的是要保證安全的飛行高度,注意測區(qū)內(nèi)的最高地物,飛行高度和返航高度要高于測區(qū)內(nèi)最高地物的髙度。
3.3 相機參數(shù)設(shè)置 相機參數(shù)設(shè)置主要是為了獲取清晰的航拍相片,通常按默認(rèn)設(shè)定。拍攝模式建議采用定時拍攝;拍攝完成后選擇自動返航;云臺角度在拍攝正射影像時選擇-90°;為了提升建圖精度,建議關(guān)閉畸變修正功能。
3.4 航拍作業(yè) 大疆精靈4 RTK無人機的航拍作業(yè)基本是自動完成。當(dāng)飛行器電量降低到警戒值時,會發(fā)出提示。飛行器根據(jù)剩余電量和到已記錄的起飛點距離進(jìn)行智能判斷,并選擇合適時機返航,無需人工干涉。當(dāng)飛行器降落后,更換電池后可按照未完成的航線繼續(xù)拍攝。
3.5 影像處理 當(dāng)飛行任務(wù)結(jié)束后,將飛行器上儲存卡中的航拍照片導(dǎo)入電腦中以備處理。流程中需要注意:相機參數(shù)信息保存在照片中,可以用記事本打開照片找到相關(guān)參數(shù);POS信息是每張照片的空間位置信息,其格式要規(guī)范,要與照片名稱一致;在影像上標(biāo)記控制點后進(jìn)行初次空三解算,可以得到控制點的大致位置,以便通過更多包含控制點的照片上精確標(biāo)記控制點,當(dāng)所有控制點標(biāo)記完成后進(jìn)行再次空三解算,以使得所有像控點都被準(zhǔn)確標(biāo)記;重建項目進(jìn)行影像拼接,在空間框架內(nèi)選擇正確的坐標(biāo)系,瓦片大小要適宜,需要調(diào)整瓦片大小,使得重建需要的內(nèi)存小于電腦內(nèi)存,充分考慮留給系統(tǒng)運行的內(nèi)存空間;如果之前設(shè)定的是構(gòu)建測區(qū)的三維模型,則在三維模型構(gòu)建成功后選擇生成測區(qū)的正射影像圖。如果只需要獲取測區(qū)正射影像,可以在工程中直接選擇生成正射影像圖。
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(責(zé)編:徐世紅)