張慶勇，黃 凱

（廣西桂禹工程咨詢有限公司，南寧 530023）

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目介紹

近年來無人機(jī)攝影和激光雷達(dá)測繪技術(shù)迅速發(fā)展，無人機(jī)具有機(jī)動靈活、作業(yè)高效迅速、可快速獲取三維數(shù)據(jù)以及飛行安全性高、外業(yè)人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)性及成本大幅降低等特點(diǎn)，在小區(qū)域大比例尺測圖領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。全自動建模生產(chǎn)的實(shí)景三維數(shù)據(jù)加上高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，滿足大比例尺測圖要求，同時可以真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性，可輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)、TDOM、DLG 等多種成果形式，服務(wù)于高層決策和設(shè)計(jì)。

廣西武宣濠江兩段河道整治項(xiàng)目長度約23.2 km，要開展河道的基礎(chǔ)建設(shè)工作，需要對河流進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。項(xiàng)目測區(qū)兩岸現(xiàn)狀多為灌木、雜草和林地，對采集測量點(diǎn)有一定困難，測區(qū)岸線長、工程時間緊迫、天氣炎熱和雷暴雨天氣，均對項(xiàng)目進(jìn)度造成一定的影響，為了提高測量效率決定采用D2000無人機(jī)+D-CAM3000（6100 萬像素相機(jī)）+D-Li-DAR2000（±5 cm 激光雷達(dá)）為主要測量設(shè)備，快速獲取項(xiàng)目區(qū)第一手地理信息資料，為設(shè)計(jì)部門提供1∶1000地形圖和水文斷面資料，同時提供二維和三維專題影像數(shù)據(jù)資料。

1.2 項(xiàng)目內(nèi)容

布設(shè)五等控制網(wǎng)及像控點(diǎn)、制作1∶1000地形圖作為設(shè)計(jì)使用的依據(jù)、生產(chǎn)正射影像TDOM 和三維實(shí)景模型作為二維和三維專題圖制作紙質(zhì)及匯報(bào)的基礎(chǔ)資料。

2 技術(shù)路線

2.1 無人機(jī)飛行平臺主要參數(shù)

（1）D2000 無人機(jī)主要參數(shù)?？諜C(jī)重量：2.6 kg；最大載重能力：750 g；懸停精度RTK：水平1 cm+1 ppm 垂直2 cm+1 ppm；差分GPS更新頻率：20 Hz。

（2）雙頻GPS導(dǎo)航模塊參數(shù)。采樣頻率：20 Hz；定位精度：5 cm；差分模式：PPK/RTK及其融合作業(yè)模式。

（3）D-LiDAR2000 載荷參數(shù)。搭載平臺：D2000/D20；精度：5 cm@50 m；測距：190 m@10%反射率@100 klx，450 m@80%反射率@0 klx；激光等級：Class 1；測距模式：TOF；波長：905 nm；水平視場角：70.4°；垂直視場角：4.5°/77.2°；發(fā)散角：0.03°H×2.8°V；點(diǎn)頻：240 kpts/s；回波數(shù)：三回波；測距精度：±2 cm；橫滾/俯仰精度：0.006°；航向角精度：0.03°；存儲容量：32 GB（最大256 GB）；重量：680 g。

（4）D-CAM3000 載荷參數(shù)。相機(jī)型號：SONY a7Rm4；有效像素：6100 萬；傳感器尺寸：35.7mm×23.8 mm（全畫幅）；鏡頭參數(shù)：40 mm定焦。

2.2 項(xiàng)目技術(shù)路線

技術(shù)路線圖見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

首先，規(guī)劃航線、布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)和采集數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行飛行任務(wù)。通過低空飛行獲取整個測區(qū)的航片和雷達(dá)數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)利用專業(yè)版軟件生產(chǎn)正射影像TDOM 和三維實(shí)景模型，雷達(dá)部份使用專業(yè)版軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和二次編輯生產(chǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均處理完成后，基于EPS三維測圖系統(tǒng)和CASS3D軟件系統(tǒng)利用模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行1∶1000地形圖要素采集。最后輸出成果包括正射影像TDOM、三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于二維專題圖和三維專題數(shù)據(jù)的制作，二維線劃圖提供給設(shè)計(jì)部門開展設(shè)計(jì)工作。

D2000型無人機(jī)飛行平臺，使用6100萬高像素D-CAM3000航測模塊及D-LiDAR2000激光雷達(dá)模塊。D2000 無人機(jī)采用四旋翼布局，集成有高精度差分GNSS模塊，可以靈活掛載多種任務(wù)載荷，有效作業(yè)時間長、機(jī)動性好、飛行姿態(tài)平穩(wěn)。其配套的飛馬無人機(jī)管家專業(yè)版軟件系統(tǒng)可進(jìn)行航線設(shè)計(jì)、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)解算等多種功能，可以滿足作業(yè)全過程的各項(xiàng)需要。

3 實(shí)際作業(yè)流程

3.1 控制測量

本項(xiàng)目采用千尋CORS 系統(tǒng)進(jìn)行基站坐標(biāo)測定，引測國家水準(zhǔn)點(diǎn)，采用快速靜態(tài)測量方式測量像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)（2000國家坐標(biāo)系統(tǒng)和1985基準(zhǔn)高程）。由于地形帶狀的物殊性，像控點(diǎn)的布設(shè)按兩岸成對布設(shè)，間隔500 m 左右一對，加強(qiáng)TDOM、模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一致性，保證DLG的精度。引測國家高程見圖2，像控點(diǎn)測量見圖3，控制點(diǎn)樣式及造埋見圖4，像控點(diǎn)樣式見圖5，像控點(diǎn)分布示意圖見圖6，檢查點(diǎn)分布示意圖見圖7，檢查點(diǎn)按空地、草地、林地3∶2∶1布設(shè)，原則上每公里不少于2個檢查點(diǎn)。

圖2 引測國家高程圖

圖3 像控點(diǎn)測量

圖4 控制點(diǎn)樣式及造埋

圖5 像控點(diǎn)樣式

圖6 像控點(diǎn)分布示意圖

圖7 檢查點(diǎn)分布示意圖

3.2 影像航線與數(shù)據(jù)

3.2.1 影像航線及參數(shù)高架和采集數(shù)據(jù)飛行

航線設(shè)計(jì)使用飛馬無人機(jī)管家專業(yè)版優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用帶狀航線和多邊形航線并用的方式設(shè)計(jì)，優(yōu)先采用帶狀航線。軟件集成多模塊功能，包括維護(hù)、航線設(shè)計(jì)、智能飛行、數(shù)據(jù)解算處理等等，操作簡便、智能化程度高。

項(xiàng)目航線按1∶500 正射影像航飛，影像分辨率優(yōu)于5 cm。采用無控模式，相對航高320 m，航向重疊率80%，旁向重疊率60%。帶狀航線長度設(shè)計(jì)不大于5 km，帶寬設(shè)計(jì)為300 m，基本滿足一架次的影像采集飛行任務(wù)。

經(jīng)過維護(hù)菜單確認(rèn)正常更新后，檢查航線規(guī)劃無誤，飛機(jī)自檢工作完成，即可以執(zhí)行飛行作業(yè)。航線規(guī)劃和飛行界面分別如圖8、圖9所示。

圖8 航線規(guī)劃界面

圖9 飛機(jī)飛行界面

任務(wù)結(jié)束時，需要清場以確保飛機(jī)安全降落，等待提示飛機(jī)鎖定后，可移動飛機(jī)下載數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)、GPS 觀測數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)等，現(xiàn)場可以用飛馬無人機(jī)管家專業(yè)版對基站和POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行RTK、PPK融合解算，得出精密POS數(shù)據(jù)等。

3.2.2 影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)TDOM和三維實(shí)景模型

項(xiàng)目利用Context Capture 軟件進(jìn)行空三和模型生產(chǎn)和飛馬無人機(jī)管家專業(yè)版軟件進(jìn)行空三和正射影像生產(chǎn)。

（1）像片數(shù)據(jù)見圖10，POS 數(shù)據(jù)格式見圖11。POS 數(shù)據(jù)編號必須與相片名稱一一對應(yīng)，否則會出錯。

圖10 相片數(shù)據(jù)

圖11 pos數(shù)據(jù)格式

（2）導(dǎo)入相片和POS 數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系統(tǒng)選擇WGS84，檢查無誤后開始空三處理?？杖ㄟ^后導(dǎo)入像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)重新空三處理，坐標(biāo)系選擇項(xiàng)目所在地平面坐標(biāo)系。

（3）經(jīng)檢查，空三質(zhì)量報(bào)告全部通過，中誤差為1.3 cm，檢查點(diǎn)有一個點(diǎn)超限，經(jīng)查為測量誤差造成，放棄該點(diǎn)，其他檢查點(diǎn)中誤差小于4.3 cm，滿足精度要求，可以生產(chǎn)三維模型。

（4）重新空三處理通過后即可以開始正射影像圖和三維實(shí)景模型的生產(chǎn)，成果見圖12和圖13。

圖12 TDOM成果

圖13 OSGB成果

3.3 激光雷達(dá)航線與數(shù)據(jù)

3.3.1 雷達(dá)航線及參數(shù)設(shè)置與雷達(dá)數(shù)據(jù)采集飛行

激光雷達(dá)航線設(shè)計(jì)使用無人機(jī)管家專業(yè)版優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用帶狀航線和多邊形航線并用的方式設(shè)計(jì)，優(yōu)先采用帶狀航線。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集，只要將雷達(dá)模塊簡單更換至飛行器即可。項(xiàng)目通過預(yù)掃快速生成DSM，主要確保飛行安全。為了確保激光掃描點(diǎn)的有效數(shù)量和質(zhì)量，設(shè)置相對航高100 m的變高飛行，旁向重疊率50%。帶狀航線長度設(shè)計(jì)不大于5 km，帶寬設(shè)計(jì)為200 m，基本滿足一架次的影像采集飛行任務(wù)。激光雷達(dá)航線規(guī)劃和飛行界面如圖14所示。

圖14 激光雷達(dá)航線規(guī)劃和飛行界面

飛行任務(wù)結(jié)束時，需要清場以確保飛機(jī)安全降落，等待提示飛機(jī)鎖定后，可移動飛機(jī)下載數(shù)據(jù)包括雷達(dá)數(shù)據(jù)、GPS觀測數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等。

3.3.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

（1）軌跡解算。利用無人機(jī)管家智理圖模塊，對GPS 進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和GPS 解算。利用IE 軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡解算（見圖15），利用無人機(jī)管家智激光模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云解算、航帶拼接、質(zhì)量檢查（見圖16）、航帶平差等操作，然后導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)LAS。

圖15 軌跡解算界面

圖16 剖面檢查界面

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理是在無人機(jī)管家的“智激光”模塊中，將軌跡解算后的數(shù)據(jù)和LIDAR原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云的過程，處理步驟見圖17。

圖17 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟

3.3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯

（1）利用無人機(jī)管家智理圖點(diǎn)云模塊，先利用已有控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換操作，再對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪去冗余操作、點(diǎn)云濾波、精度檢核（見圖18）等操作。

圖18 點(diǎn)云精度檢核

（2）利用前面生產(chǎn)出來的TDOM對點(diǎn)云進(jìn)行賦色和地面點(diǎn)分類編輯（見圖19），結(jié)合自動和手動濾波，保留地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，去除無用點(diǎn)，生成LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)，DEM等成果。

圖19 點(diǎn)云賦色和地面點(diǎn)分類編輯

（3）數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證。本項(xiàng)目在目標(biāo)測區(qū)共測得16個檢核點(diǎn)，無人機(jī)管家軟件通過讀取檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置匹配，自動尋找到距離檢核點(diǎn)最近的點(diǎn)云模型面后進(jìn)行一鍵化的高程誤差評估計(jì)算，結(jié)果見圖20。從圖20可知，高程最大誤差-9.1 cm，最小為0.3 cm，中誤差為±5.0 cm，成果優(yōu)于10 cm的精度要求。

3.4 EPS制圖

從圖20 可以看出，其雷達(dá)精度中誤差為±5.0 cm，滿足1∶1000 的測圖要求。打開EPS 軟件，加載TDOM 和LAS 點(diǎn)云，即可按測圖比例尺繪制DLG 線劃圖（見圖21）。

圖20 測區(qū)地面點(diǎn)高程精度驗(yàn)證結(jié)果表

圖21 DLG線劃圖

4 技術(shù)優(yōu)勢

（1）D2000 無人機(jī)+D-CAM3000（6100 萬像素相機(jī)）+D-LiDAR2000（±5 cm激光雷達(dá)）可免像控采集雷達(dá)數(shù)據(jù)，而且夜間也可以開展作業(yè)，工作效率有著質(zhì)的提升。由于D-LIDAR2000 具有三次回波功能，測程可達(dá)450 m，能夠獲取灌木、雜草、林木區(qū)域地面的高程，大大減少了采用人工在這些區(qū)域補(bǔ)測碎部點(diǎn)的耗時和風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，其測點(diǎn)精度滿足地形圖精度的要求。自動化、智能化和安全程度非常高，僅需1～2 人就可以完成復(fù)雜的工作，提高了外業(yè)工作的效率，節(jié)約了外業(yè)工作成本、降低了勞動強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。

（2）D2000 無人機(jī)+D-CAM3000（6100 萬像素相機(jī)）具備6100萬像素，可以在更高的高度飛行，滿足不同分辨率產(chǎn)品的要求，只需要少量的像控點(diǎn)就可以滿足制圖精度要求。同時利用TDOM 和模型作為制圖的輔助產(chǎn)品，地形圖成果真實(shí)反映了實(shí)際地形地貌情況，大大地提高了地形圖成果的精度。

（3）三維實(shí)景模型成果數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)瀏覽、査詢、應(yīng)用極為方便。經(jīng)過導(dǎo)入第三方三維實(shí)景模型瀏覽軟件平臺，解決三維實(shí)景模型快速查看以及面積、體積等基礎(chǔ)量測功能。

5 結(jié)語

飛馬D2000 無人機(jī)D-LIDAR2000 機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)具有可靠的安全性能、高效海量高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取能力，在水利工程測繪應(yīng)用中效果良好，目前成果已應(yīng)用到東蘭縣兩座水庫和武宣、柳城供水項(xiàng)目等多個項(xiàng)目中，提高了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，獲得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有實(shí)用性和推廣價值。

（責(zé)任編輯：劉征湛）