施艷秋，吳忠翔，馮嘉城，高 航

（1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000；2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武漢橋工段，湖北 武漢 430000；3.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司鐵道戰(zhàn)備舟橋處，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

地形圖發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，是一個(gè)國(guó)家關(guān)鍵的基礎(chǔ)地理信息材料。日常生活及發(fā)展規(guī)劃、資源調(diào)研都離不開(kāi)地理信息和不同精度的地形圖。地形圖從紙質(zhì)發(fā)展到數(shù)字電子化，從二維到三維。測(cè)量方法上經(jīng)歷了從傳統(tǒng)測(cè)量生產(chǎn)體系向數(shù)字化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變[1]。電子測(cè)速儀、GPS－RTK、地面三維激光掃描技術(shù)（TLS）等前沿高新技術(shù)的產(chǎn)生，給數(shù)字化測(cè)量帶來(lái)了不同程度轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)效率大幅提高，精準(zhǔn)度上也逐步提高。航空攝影測(cè)量、衛(wèi)星測(cè)圖將測(cè)繪方式發(fā)展為天、空的測(cè)量模式。航空作業(yè)由于成本高、精度不達(dá)標(biāo)還不能覆蓋大部分地形圖的要求，這為以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)的低空攝影測(cè)量技術(shù)提供了契機(jī)。憑借著中國(guó)制造的優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)有靈活、成本可控、分辨率高等優(yōu)越性，借助于地面控制點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)大比例尺地形圖外業(yè)測(cè)繪。目前許多學(xué)者致力于免像控傾斜攝影測(cè)圖的研究，文獻(xiàn)[2-8]利用不同型號(hào)無(wú)人機(jī)，搭載不同設(shè)備，調(diào)整不同角度及航測(cè)方式，在不同場(chǎng)地探索研究如何制作射影像圖（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）及內(nèi)業(yè)如何銜接不同軟件輸出三維模型和二維圖紙，利用無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、建筑工程、環(huán)境工程、交通工程及應(yīng)急救援等領(lǐng)域，進(jìn)行不同比例，不同地形和范圍，不同精度的二維及三維測(cè)繪研究。

文章采用大疆Phantom 4RTK無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)具備厘米級(jí)定位系統(tǒng)和優(yōu)異的流程系統(tǒng)，大大減少了傳統(tǒng)測(cè)量測(cè)繪中所需的控制基點(diǎn)，簡(jiǎn)化了工作步驟，降低了經(jīng)濟(jì)和外業(yè)作業(yè)時(shí)間成本，提高外業(yè)效率，在應(yīng)急保障和具有特殊地理環(huán)境和局部小區(qū)域地形圖測(cè)繪具有明顯的優(yōu)勢(shì)[9-12]。通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行用傾斜攝影的方式獲取校園影像數(shù)據(jù)，外業(yè)測(cè)量獲取校園數(shù)據(jù)影像，利用大疆智圖三維建模軟件建立了三維模型，eps2016地理信息工作站三維測(cè)圖專版軟件繪制了校園二維地形圖紙（CAD），實(shí)現(xiàn)吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院既有校區(qū)建筑物及二期規(guī)劃校園地形圖測(cè)繪，探索實(shí)踐數(shù)字化測(cè)量生產(chǎn)體系替代傳統(tǒng)測(cè)量生產(chǎn)體系的轉(zhuǎn)化路徑和實(shí)現(xiàn)方式。

2 航飛影像數(shù)據(jù)獲取

2.1 作業(yè)前準(zhǔn)備工作

主要準(zhǔn)備工作包括資料搜集、設(shè)備調(diào)試、場(chǎng)地踏勘等。

（1）收集吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院已有資料，基礎(chǔ)地形圖、結(jié)構(gòu)特征，了解吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通位置及詳細(xì)地貌情況。

（2）設(shè)備檢校，遙控手部及無(wú)人機(jī)搭載設(shè)備及電池情況。

（3）遙控手部、無(wú)人機(jī)相關(guān)軟件是否升級(jí)匹配。

（4）提前了解天氣及風(fēng)速，踏勘選擇吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院周邊適合的起降場(chǎng)地。

2.2 測(cè)區(qū)概況及環(huán)境信息

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，位于吉林省吉林市?？偯娣e86萬(wàn)m2，建筑面積49萬(wàn)m2，二期規(guī)劃用地37萬(wàn)m2。測(cè)區(qū)屬亞溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，其特點(diǎn)是四季分明，雨熱同季，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨水充沛，風(fēng)速低緩，霜凍期短，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，其次為西北風(fēng)，全年平均風(fēng)速1.4 m/s。測(cè)區(qū)地形最大高差48.42 m，此次測(cè)繪使用的是大疆Phantom 4RTK無(wú)人機(jī)，四旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，適用低空攝影，機(jī)動(dòng)靈活，鏡頭夾角60°，井字形航行路線。設(shè)計(jì)航線航高200 m，航向和旁向重疊度分別為80%和75%，外業(yè)航行時(shí)間100 min，獲取1 003張影像，測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)生產(chǎn)作業(yè)流程圖

精靈4數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)載pos數(shù)據(jù)和基站GNSS數(shù)據(jù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)功能模塊化，不需要再進(jìn)行人為控制，內(nèi)方位元素和原始影像從存儲(chǔ)卡上導(dǎo)入到大疆智圖中已經(jīng)能自動(dòng)識(shí)別和匹配，測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)幾乎智能化匹配，根據(jù)軟件自帶功能點(diǎn)擊空三測(cè)量運(yùn)算，可查看空三運(yùn)算數(shù)據(jù)和效果，效果滿意可繼續(xù)下一步整體平面圖生成和三維實(shí)景模型構(gòu)建，構(gòu)建完三維模型和用于展示和下一步等高線地形圖出圖。實(shí)際操作過(guò)程中，為了讓三維模型效果更清晰，對(duì)校園的主要建筑物進(jìn)行補(bǔ)拍，通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)云臺(tái)角度拍攝建筑物航拍不容易拍攝的背面和房檐凹凸部位，手控飛行拍攝。

2.3 數(shù)據(jù)采集過(guò)程

航飛影像獲取，包括起飛前設(shè)備檢查、無(wú)人機(jī)航線任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行，現(xiàn)場(chǎng)飛行數(shù)據(jù)整理、重點(diǎn)區(qū)域手動(dòng)補(bǔ)飛。

（1）起飛前設(shè)備安全檢查

為確保本次無(wú)人機(jī)航拍攝影安全，無(wú)人機(jī)啟動(dòng)后需要進(jìn)行自檢，具體如下：①網(wǎng)絡(luò)RTK狀態(tài)檢查，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接檢查、GNSS天線視野開(kāi)闊、衛(wèi)星連接數(shù)量檢查，指南針校準(zhǔn)，排除地磁干擾。②存儲(chǔ)卡檢查、相機(jī)設(shè)置檢查、清潔相機(jī)鏡頭。③旋翼檢查,灰色與黑色旋翼安裝是否匹配。④飛機(jī)定位返航點(diǎn)檢查，啟用手部后開(kāi)啟無(wú)人機(jī)，等待系統(tǒng)正常連接后，即可起飛。

（2）無(wú)人機(jī)航線任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行

無(wú)人機(jī)升空后，按照本次作業(yè)規(guī)劃航線進(jìn)行數(shù)據(jù)影像采集，用無(wú)人機(jī)遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)工作狀態(tài)和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、時(shí)下風(fēng)速、飛行的高度及其他指標(biāo)，如有異常應(yīng)立刻做出處理確保無(wú)人機(jī)安全，正常情況下，默認(rèn)按照規(guī)劃航線采集數(shù)據(jù)，完成后無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航。本次作業(yè)航飛8架次，共采集影像數(shù)據(jù)1 500張。

（3）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)整理

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，檢查拍攝照片數(shù)量和清晰度是否滿足要求，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象，若無(wú)其他問(wèn)題，則本次規(guī)劃航線拍攝任務(wù)完成，可酌情考慮對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行二次補(bǔ)拍，精細(xì)化三維模型的展示和預(yù)覽需要對(duì)航拍無(wú)法拍攝到的側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)拍。

（4）重點(diǎn)區(qū)域手動(dòng)補(bǔ)飛

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)整理情況，再次進(jìn)行無(wú)人機(jī)安全檢查，確保無(wú)誤后手動(dòng)升空進(jìn)行補(bǔ)拍，針對(duì)鐵軌，建筑尖頂，建筑物房檐及陰影區(qū)域近距離多角度高重疊度補(bǔ)拍。無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃有2種實(shí)現(xiàn)方式，一種可直接利用無(wú)人機(jī)遙控器界面地圖進(jìn)行測(cè)區(qū)范圍和路線規(guī)劃；另一種可以利用奧維互動(dòng)地圖提前在室內(nèi)劃定測(cè)區(qū)范圍，導(dǎo)出KML文件，利用存儲(chǔ)設(shè)備上傳到無(wú)人機(jī)遙控器內(nèi)存裝置，外業(yè)作業(yè)時(shí)直接調(diào)用KML文件，水平面航線規(guī)劃詳見(jiàn)圖2。

圖2 水平面航線規(guī)劃圖

Phantom 4RTK無(wú)人機(jī)航測(cè)及后處理軟件處理后平面圖成圖精度能滿足校園規(guī)劃地形圖精度要求，可根據(jù)垂高實(shí)現(xiàn)精度調(diào)整。無(wú)人機(jī)自帶避障系統(tǒng)，可以大大減小無(wú)人機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。由于該無(wú)人機(jī)質(zhì)量較輕，導(dǎo)致在風(fēng)速較大的情況下無(wú)法起飛，所以選取了晴天微風(fēng)的天氣。前期通過(guò)校園探勘和奧維地圖標(biāo)定規(guī)劃最優(yōu)航線，在執(zhí)行飛行任務(wù)前調(diào)整好飛機(jī)參數(shù)，飛行時(shí)用事先規(guī)劃的最優(yōu)航線飛行?？紤]冬季電池續(xù)航情況差，建議進(jìn)行室內(nèi)規(guī)劃航線，節(jié)約戶外電池用量。

3 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)后處理

無(wú)人機(jī)外業(yè)作業(yè)結(jié)束后轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)處理，實(shí)景三維建模過(guò)程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、建模輸出3個(gè)環(huán)節(jié)[13-15]。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要是整理航飛影像數(shù)據(jù)、相機(jī)文件、POS 數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，使其滿足軟件平臺(tái)的要求。由于采用免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，在利用大疆智圖進(jìn)行三維建模時(shí)省去了刺點(diǎn)，直接導(dǎo)入影像，設(shè)置興趣區(qū)域建模，設(shè)置輸出坐標(biāo)系管理，CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 126E坐標(biāo)系提交空中三角測(cè)量[16-19]，完成后點(diǎn)擊新建重建項(xiàng)目，最終生成三維模型，由于生成的三維模型要導(dǎo)入到清華eps三維測(cè)圖軟件中，所以提交新的項(xiàng)目時(shí)要將最終的三維模型格式設(shè)置為osgb格式。利用大疆智圖三維建模軟件構(gòu)建校園三維模型，在構(gòu)建的實(shí)景三維模型基礎(chǔ)上，通過(guò)使用eps三維測(cè)圖軟件繪制校園地形圖，采集地物地貌特征點(diǎn)、線、面，最后通過(guò)內(nèi)業(yè)編輯的方式制作地形圖，三維實(shí)景底圖省去繁瑣的外業(yè)調(diào)繪工作。打開(kāi)eps2016地理信息工作站三維測(cè)圖專版軟件，將osgb模型導(dǎo)入工作空間，在工具欄地貌模塊中選取高程點(diǎn)，鼠標(biāo)單擊三維模型將所需高程點(diǎn)依據(jù)實(shí)際地貌以及控制高程點(diǎn)全部提取，根據(jù)居民地模塊將所有建筑物邊界拾取，根據(jù)交通模塊將主次干道以及小路邊界拾取，根據(jù)水系模塊將校園人工湖邊界拾取。eps軟件高程點(diǎn)全部拾取結(jié)束進(jìn)入地膜處理-生成三角網(wǎng)-生成等高線-關(guān)閉三角網(wǎng)-輸出外部數(shù)據(jù)dwg格式，進(jìn)入cad進(jìn)行編輯處理[20-22]。處理結(jié)果詳見(jiàn)圖3。

圖3 校園二維平面圖

根據(jù)地層地貌及建筑物信息修正平面圖，測(cè)區(qū)所屬地理位置，為丘陵地貌按其成因，可分為構(gòu)造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌2種類型。構(gòu)造剝蝕地貌又分為中山、低山、丘陵3個(gè)亞區(qū)；侵蝕堆積地貌為階地漫灘。中山：地形起伏大，海拔高程在1 000 m以上，切割深度為200～400 m，主要山脊走向?yàn)镹E→SW，山坡坡度一般為25°～45°。低山：地形起伏大，海拔高程500～1 000 m，切割深度100～300 m，山脊尖頂狀、饅頭狀，山坡坡度為20°～35°。丘陵：地形起伏較大，海拔高程200～500 m，切割深度30～200 m，呈渾圓狀，丘間河谷發(fā)育，山坡坡度小于25°。階地漫灘：階地較平坦，主要由沖洪積砂、砂礫石組成，一般高出河水位2～4 m，漫灘主要由沖積砂礫石、礫卵石組成，一般高出河水位0.5～1 m。測(cè)區(qū)地層情況，新生界第四系地層，具體地層和地貌情況及建筑結(jié)構(gòu)物信息可根據(jù)實(shí)景三維模型與二維地形圖進(jìn)行匹配，并對(duì)建筑物及道路的具體信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際校對(duì)后修正到地形圖上，對(duì)主要建筑物及校園內(nèi)主要道路識(shí)別標(biāo)記，最后根據(jù)出圖使用情況確定比例尺套用相對(duì)應(yīng)的圖框，地形圖測(cè)繪完成。

4 啟示及建議

文章采用大疆Phantom 4RTK無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，獲取吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院影像數(shù)據(jù)，利用大疆智圖軟件對(duì)校園實(shí)景三維建模，模型精度6 cm實(shí)景展示校園已有建筑物及二期規(guī)劃用地情況。使用eps三維測(cè)圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，繪制了校園1：4 000地形圖。

無(wú)人機(jī)校園測(cè)繪相較于傳統(tǒng)測(cè)繪具有操作便捷大幅降低人力成本，提高作業(yè)效率。86萬(wàn)m2校園外業(yè)作業(yè)時(shí)間只需100 min，但無(wú)人機(jī)測(cè)繪受限于天氣和蓄電池的使用時(shí)間。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)將會(huì)更好地服務(wù)測(cè)繪基礎(chǔ)行業(yè)，如鐵路線路檢修、特殊地貌測(cè)繪、建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃、低空遙感數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域。尤其是在布設(shè)像控點(diǎn)困難的地區(qū)，如懸崖，沼澤地，冰川及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，進(jìn)行局部應(yīng)急測(cè)繪展現(xiàn)三維實(shí)景時(shí)，大疆Phantom 4RTK無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)更具有實(shí)用意義。