李顯軍

(陽(yáng)春市自然資源測(cè)繪中心 廣東陽(yáng)春 529699)

作為一種新興載體，無人機(jī)在傳統(tǒng)農(nóng)林作業(yè)、工業(yè)調(diào)查和土地資源調(diào)查、智慧城市、數(shù)字考古、應(yīng)急救援和救災(zāi)、3D現(xiàn)實(shí)、城市規(guī)劃、新農(nóng)村建設(shè)、物流配送、地理和國(guó)情監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域保持了強(qiáng)勁增長(zhǎng)[1]。無人機(jī)低空遙感數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)已成為獲取地形測(cè)量數(shù)字成果的重要手段之一。無人機(jī)靈活、高效、快速,它不需要在特殊機(jī)場(chǎng)起降，還可以手動(dòng)起飛、彈射器、降落傘、滑翔和垂直起降?；跓o人機(jī)系統(tǒng)，它避免了飛行員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，在小區(qū)域和人工操作困難的區(qū)域快速獲取高分辨率圖像具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著無人機(jī)硬件技術(shù)和高精度GNSS定位技術(shù)的發(fā)展，將高精度GNS 定位模塊應(yīng)用于無人機(jī)，結(jié)合GNSS 輔助空中三角測(cè)量技術(shù)，不僅可以有效減少圖像控制點(diǎn)的數(shù)量，甚至避免圖像控制，還可以大大提高無人機(jī)航測(cè)的精度。經(jīng)研究表明：Topcon Sirius Pro 航空測(cè)繪系統(tǒng)提供了一種集成解決方案，可以在沒有地面控制點(diǎn)的情況下自動(dòng)生成DSM，并且當(dāng)圖像的地面分辨率優(yōu)于5 cm時(shí)，可以滿足1∶500測(cè)繪規(guī)范的精度要求[2]。

本文以某地區(qū)1∶500 測(cè)繪任務(wù)為基礎(chǔ)，根據(jù)工作環(huán)境和設(shè)備條件，設(shè)計(jì)了消費(fèi)級(jí)四旋翼無人機(jī)的航空攝影測(cè)量方案，并設(shè)置了足夠的控制點(diǎn)，以提高絕對(duì)定向精度，保證數(shù)字產(chǎn)品精度的可靠性，并對(duì)關(guān)鍵測(cè)繪環(huán)節(jié)進(jìn)行精度分析，驗(yàn)證測(cè)繪方案的有效性和實(shí)用性。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目研究區(qū)位于廣州市的一個(gè)區(qū)，面積約為0.86 km2。在研究區(qū)內(nèi)，北部有工業(yè)企業(yè)，中部有林地，西南部有工業(yè)企業(yè)，東南部有機(jī)車停機(jī)坪。環(huán)境復(fù)雜，具有許多典型和代表性地物特征。該項(xiàng)目要求將該地區(qū)的平面坐標(biāo)標(biāo)記為廣州城市坐標(biāo)系，指定為1985年的國(guó)家高度標(biāo)準(zhǔn)，用于1∶500比例的地圖繪制[3]。

本項(xiàng)目在消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)上配備了自主云平臺(tái)和攝像頭，確保了穩(wěn)定的空中拍攝。DJI Inspire2 無人機(jī)配備Zenith X5S PTZ 攝像頭和松下Lumix 15mm/1.7鏡頭。相機(jī)的視角為72°，相當(dāng)于35 mm相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)焦距，像素?cái)?shù)為5280×3956，像素大小為3.27897 μm。

2 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)的航空攝影特點(diǎn)、項(xiàng)目區(qū)域現(xiàn)狀、現(xiàn)有信息和任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了項(xiàng)目實(shí)施流程，項(xiàng)目生產(chǎn)和實(shí)施可分為3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施方案流程

2.1 項(xiàng)目規(guī)劃

2007 年，測(cè)量區(qū)域有一張1∶500 的DLG 圖。平面坐標(biāo)系為廣州市坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985年國(guó)家高程標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于研究區(qū)域的地形變化很大，現(xiàn)有數(shù)字電路只能發(fā)揮較小的作用。該項(xiàng)目區(qū)域位于廣州連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，定位精度超過1 cm。在測(cè)量區(qū)域的東北角，有一個(gè)保存完好的二級(jí)參考，可用于校準(zhǔn)和控制測(cè)量[4]。

根據(jù)本次采用的消費(fèi)級(jí)四旋翼無人機(jī)GNSS 定位信息精度差、采集影像像幅小、測(cè)區(qū)情況復(fù)雜等因素，為保證測(cè)圖精度計(jì)劃在測(cè)區(qū)布設(shè)控制點(diǎn)132個(gè)，如圖2所示，后期可用作像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)和質(zhì)檢點(diǎn)。為易于分辨和識(shí)別，地面控制點(diǎn)標(biāo)志采用黑白兩種顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)可形成良好的色彩反差，地面控制點(diǎn)標(biāo)志和設(shè)計(jì)布控位置如圖2所示。

圖2 地面控制點(diǎn)位置分布設(shè)計(jì)

研究區(qū)域的地理位置在西南、東南、東北部較低，在西北角緩慢增加。該區(qū)域最低點(diǎn)與最高點(diǎn)的差距不超過20 m。在這個(gè)區(qū)域的中部，東西方的標(biāo)志表示那個(gè)區(qū)域的中部。測(cè)量區(qū)域在飛行高度范圍內(nèi)，最大飛行高度不得超過120 m。為確保安全，滿足項(xiàng)目需要，項(xiàng)目規(guī)定測(cè)量區(qū)域中部東西向道路作為起飛和降落點(diǎn)使用，飛行高度100 m。飛機(jī)的最大飛行速度提高了位置穩(wěn)定性。根據(jù)假定的高度計(jì)算得到的圖像是否滿足圖形要求，取決于高度和地面分辨率。

式（1）中：H為攝影行高，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；GSD為地面分辨率，單位為m；a為像元尺寸，單位為mm。

根據(jù)項(xiàng)目相機(jī)參數(shù)、航高和公式（1），并在已有地形圖上得出預(yù)計(jì)起降場(chǎng)地在整個(gè)測(cè)區(qū)中高程處于中間位置，故可以得出測(cè)區(qū)內(nèi)地面分辨率在0.02～0.028 m之間，小于0.05 m，滿足《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500 1∶1000 1∶2000 數(shù)字正射影像圖》（CHT 9008.3-2010）的要求。設(shè)計(jì)飛行航高為100 m，不僅可以提供高分辨率影像從而提高內(nèi)業(yè)成圖時(shí)平面位置精度，而且滿足測(cè)區(qū)限航高度的要求保證飛行的安全。預(yù)設(shè)航向重疊 75%、旁向重疊65%。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的地面檢查點(diǎn)分布和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，共建立了108個(gè)檢查點(diǎn)。廣州CORS系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）測(cè)量。用于RTK測(cè)量的接收機(jī)具有±（10+1×10-6）mm 的水平精度和±（10+1×10-6）mm 的高精度。測(cè)量由控制點(diǎn)進(jìn)行，對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量，然后取平均值。地圖坐標(biāo)系是廣州市的坐標(biāo)系。高度由異常高度值校正，以獲得低于1985 年國(guó)家高度的日期高度。有關(guān)地面控制點(diǎn)的實(shí)際布局如圖3所示。

圖3 地面控制點(diǎn)位置分布

航攝時(shí)天氣晴朗，西南風(fēng)1～3級(jí)，在地面控制點(diǎn)標(biāo)航空攝影期間，天氣晴朗，西南風(fēng)1～3級(jí)。插入現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)面板后，檢查無人機(jī)和攝像機(jī)的狀態(tài)，根據(jù)規(guī)劃路線將無人機(jī)從東西調(diào)查區(qū)中心提升，收集圖像數(shù)據(jù)。在成像過程中，技術(shù)人員通過地面站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，密切監(jiān)測(cè)無人機(jī)狀態(tài)、風(fēng)速、高度和速度指示器。如果發(fā)現(xiàn)有任何異常，必須立即判斷并處理。拍攝中的實(shí)際飛行時(shí)間為4TRI，從11∶30～13∶45。同時(shí)，由于陰影區(qū)域小，但光線強(qiáng)，為了控制入射光量，避免過度曝光，必須在正式收集前調(diào)整適當(dāng)?shù)墓馊?。獲得了1 546張地面分辨率大于0.03 m的原始照片。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，檢查飛行路徑與參數(shù)是否一致，是否缺少節(jié)拍。檢查圖像質(zhì)量是否模糊或曝光過度。如果質(zhì)量沒有問題，就執(zhí)行空拍任務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)生產(chǎn)

在生成數(shù)據(jù)之前，檢查原始圖像的質(zhì)量，并組織定位定姿系統(tǒng)（Positioning and Orientation System，POS）數(shù)據(jù)和檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)。導(dǎo)出后，軟件可將POS 數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目所需坐標(biāo)系測(cè)量區(qū)域的7個(gè)參數(shù)。驗(yàn)證了POS數(shù)據(jù)中的總高度偏差，特別是高度偏差過大，可以根據(jù)起降地點(diǎn)的實(shí)際高度和導(dǎo)航高度進(jìn)行校正[5]。在空中三角測(cè)量過程中，通過調(diào)整和優(yōu)化控制點(diǎn)設(shè)置，最終從108 個(gè)實(shí)際測(cè)得的點(diǎn)中選取38 個(gè)點(diǎn)作為照片控制點(diǎn)，15 個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)。照片檢查站、調(diào)查區(qū)域、照片檢查站、檢查站分布如圖4所示。黑線框是元素的測(cè)量區(qū)域，點(diǎn)表示照片控制點(diǎn)，三角形表示照片控制點(diǎn)，正方形表示控制點(diǎn)。

圖4 航帶分布和像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布

為了提高內(nèi)業(yè)成圖的精度，本項(xiàng)目生成平均地面采樣間隔為2.17 cm 的數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）和數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM），具體如圖5所示。

圖5 DSM和DOM

項(xiàng)目數(shù)字線劃圖利用EPS地理信息工作站進(jìn)行生產(chǎn)，平面點(diǎn)位通過導(dǎo)入DOM 進(jìn)行采集繪制，高程通過生成的點(diǎn)云進(jìn)行手工提取高程點(diǎn)，數(shù)字線劃圖成果如圖6 所示。項(xiàng)目生產(chǎn)中，利用采集的影像生成測(cè)區(qū)的三維模型，輔助數(shù)字線劃圖的生產(chǎn)[6]，減少野外調(diào)繪的工作量。

圖6 數(shù)字線劃圖

3 項(xiàng)目精度驗(yàn)證分析

空三區(qū)域網(wǎng)平差精度評(píng)定要求和結(jié)果如圖7 所示，數(shù)字線劃圖的精度評(píng)定要求和結(jié)果如圖8 所示。對(duì)質(zhì)量檢核點(diǎn)平面點(diǎn)位置和高程誤差繪制誤差分布如圖9所示。

圖7 空三區(qū)域網(wǎng)平差精度評(píng)定要求和結(jié)果

圖8 數(shù)字線劃圖精度評(píng)定要求和結(jié)果

圖9 質(zhì)量檢核點(diǎn)誤差分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文從應(yīng)用實(shí)踐出發(fā)，基于消費(fèi)級(jí)四旋翼無人機(jī)進(jìn)行1∶500 大比例尺測(cè)圖任務(wù)，制訂項(xiàng)目實(shí)施方案，進(jìn)行精度分析，成果滿足大比例尺地形圖測(cè)繪的精度要求，可提供快速完成測(cè)繪任務(wù)的解決方案，具有較低的勞動(dòng)強(qiáng)度和較小的經(jīng)費(fèi)開支，該方案是一種行之有效具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。