免像控無人機在工程收方中的應用

任 斌，高利敏

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院航測分院，山西 晉中 030620)

無人機航空攝影測量近年來得到了測繪行業(yè)的廣泛認可和應用，但傳統(tǒng)航測作業(yè)依然存在著很多不完善之處，如飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、相機相幅小、影像畸變差大、重疊度不規(guī)則等。如果按照傳統(tǒng)航空攝影測量影像處理，不僅需要布設較多的像控點，還會成倍增加像控點聯(lián)測的野外測量工作量。本文采用的天狼星無人機航攝系統(tǒng)，通過其內(nèi)置的100 Hz實時動態(tài)差分RTK技術可獲取高密度、高精度的像片位置信息，這種精密定位技術使得像片位置信息可以實現(xiàn)和地面控制點同樣的功能。通過天狼星無人機獲取的像片，經(jīng)過Agisoft PhotoScan處理軟件，能實現(xiàn)每小時800張低空影像的匹配速度。系統(tǒng)自帶平差系統(tǒng)，無需借助第三方軟件，可自動智能化后處理，一步直接導出DOM、DEM和點云等成果數(shù)據(jù)?？稍谔摂M測量軟件下直接做裸眼3D采集，無需傳統(tǒng)立測的3D眼鏡、手輪、腳盤。無需布設像控點采集和刺點工作，大大減少了外業(yè)測量和測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)周期[1]。

1 天狼星免像控航攝系統(tǒng)

1.1 內(nèi)置高頻RTK接收模塊

天狼星免像控無人機航攝系統(tǒng),配備了100 Hz的拓普康GNSS接收機，通過高精度GNSS RTK技術和精密定時技術來確定每張相片像主點的精確位置，無需布設地面控制點，降低了危險區(qū)域外業(yè)布設像控點的難度與危險度，大大降低了外業(yè)成本。同時，天狼星航測系統(tǒng)結合RTK技術，實現(xiàn)平面精度1.6 cm，高程精度2.7 cm，完全達到了1∶500的地形圖測圖精度。

1.2 多模式飛行計劃

相比于傳統(tǒng)無人機航測系統(tǒng)，天狼星航測系統(tǒng)配備高集成化的飛行計劃控制軟件MAVinci Desktop。用戶可根據(jù)項目測區(qū)范圍繪制采集區(qū)域，只需要設置地面采樣距離，自動實現(xiàn)飛行計劃設計，同時還可以按時間和面積將作業(yè)區(qū)劃分為多個測區(qū)，避免了由于電池導致無法完整作業(yè)等問題。根據(jù)項目測區(qū)的形狀，飛行計劃可分為多邊形模式、帶狀模式、螺旋狀模式及井子形模式，最大限度地提高作業(yè)效率?？紤]項目測區(qū)地形起伏較大，飛機可根據(jù)地形起伏自動修改實際飛行高度，保證每張影像具有相同的景深，避免由于高障礙物導致的碰撞危險。

1.3 數(shù)據(jù)采集

天狼星無人機在飛行過程中，控制器軟件可以確保無人機自主跟蹤起飛前所制訂的飛行軌跡；數(shù)據(jù)采集瞬時記錄每張相片的位置和姿態(tài)。通過整合精密測時和高精度定位技術，機載相機自動獲取影像并存儲于無人機中，使得天狼星在空中即可完成傳統(tǒng)的地面控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用基于多視圖三維重建技術的Agisoft PhotoScan數(shù)據(jù)處理軟件，將無人機影像數(shù)據(jù)和高精度POS數(shù)據(jù)導入到工作區(qū)中，設置坐標系、投影方法及處理精度，自動解算每張影像的空間坐標和姿態(tài)，提取具有坐標信息的高密度點云數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出產(chǎn)品的格式、種類，自動生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型和密集點云數(shù)據(jù)，提高內(nèi)業(yè)處理效率[2-5]。

2 無人機地形圖測量案例

2.1 確定作業(yè)區(qū)域

本案例利用拓普康Sirius PRO無人機(中文名稱天狼星)，對山西某煤礦進行2018年3月1日至2018年4月1日期間工程方量驗收。測區(qū)地理坐標為東經(jīng)112°22′-112°20′，北緯39°01′-39°04′，面積共計0.35 km2。如圖1所示，測區(qū)內(nèi)地形起伏較大，坡度陡峻，最高海拔2098 m，最低海拔1720 m，屬于典型山地地貌。

圖1 山西某露天煤礦

2.2 規(guī)劃飛行航線

無人機任務規(guī)劃的主要目標是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務的環(huán)境條件信息，綜合考慮無人機的性能、到達時間、耗能及飛行區(qū)域等約束條件，為無人機規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點到目標點的最優(yōu)或次優(yōu)航跡，保證無人機高效、快速地完成飛行任務。如圖2所示，本區(qū)域飛行航線共15條，地面采樣間距3 cm，航線內(nèi)線性漸變飛行高度117 m，航向重疊度85%，旁向重疊度80%，照片數(shù)量160張。為檢核航飛成果精度，在本次飛行區(qū)域四周和中間共布設5個檢核點(梅花形布置)，并采用1980西安坐標系和1985國家高程基準對其進行測量，供后期數(shù)據(jù)處理飛行精度檢查[6]。

圖2 利用MAVinci Desktop軟件進行飛行航線規(guī)劃

2.3 航空攝影測量

選擇天氣良好、風力微弱的天氣執(zhí)行飛行航測任務。在航測過程中全程監(jiān)控無人機平臺的飛行軌跡、GPS信號強度、電量、高度、速度、姿態(tài)及其他參數(shù)，以保證飛行的安全及數(shù)據(jù)的可靠性。外業(yè)采集完成后，第一時間進行數(shù)據(jù)的備份和內(nèi)業(yè)處理。

3 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

使用MAVinci Desktop進行像片匹配，并通過軟件接口將數(shù)據(jù)導入Agisoft Photoscan中進行一鍵處理。Photoscan軟件用SIFT算子提取每張相片中的特征點并獲取其相對應的Descriptor。使用下載的POS數(shù)據(jù)對像片進行對齊，用RANSAC算法對粗差進行剔除，消除誤匹配。使用GNSS RTK數(shù)據(jù)圖根點坐標，逐次平差迭代，剔除粗差，最后經(jīng)過生成密集點云、格網(wǎng)、紋理等，得到點云數(shù)據(jù)、DOM及DEM成果，如表1，圖3—圖7所示。利用這些數(shù)字化成品，可以使用Virtual Surveyor或D2D等軟件進行虛擬測圖，或使用AutoCAD描繪的方式將正射影像數(shù)字化，最終獲得符合規(guī)范要求的數(shù)字線劃圖[7]。

檢核數(shù)據(jù)表明天狼星無人機測繪1∶500比例尺數(shù)字線劃圖(B類)，完全能夠滿足《低空數(shù)字航空攝影內(nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003—2010)內(nèi)業(yè)平地規(guī)范要求[8]。

表1 地面控制點坐標誤差分析

圖3 2018年3月1日煤礦現(xiàn)狀DOM和DEM成果

圖4 2018年4月1日煤礦現(xiàn)狀DOM和DEM成果

利用Virtual Surveyor軟件，以及DEM和DOM文件對航測區(qū)域建立三維模型。

圈定收方區(qū)域提取高程點(間距為2 m)和特征點并導出。

將兩次測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CASS坐標數(shù)據(jù)文件格式。

圖5 Virtual Surveyor軟件建立三維模型界面

圖6 Virtual Surveyor圈定兩次飛行區(qū)域

圖7 Virtual Surveyor提取高程點

在CASS 10.0中用閉合的復合線圈定所要計算土方的區(qū)域，與第一期(3月1日)、二期(4月1日)三角網(wǎng)的區(qū)域邊界必須一致，然后用鼠標操作“工程應用方格網(wǎng)法土方計算”，在彈出的方格網(wǎng)土方計算對話框中，首先是導入“高程點坐標數(shù)據(jù)文件”，必須選擇生成第一期(3月1日)三角網(wǎng)的地面點高程數(shù)據(jù)，即原始地形數(shù)據(jù)。然后在“設計面”欄中，點選“三角網(wǎng)文件”。在導入三角網(wǎng)文件時，一定要選擇以第二期(4月1日)的地面點高程數(shù)據(jù)所構成的三角網(wǎng)，即由設計面數(shù)據(jù)生成的三角網(wǎng)。最后填寫方格網(wǎng)的寬度(系統(tǒng)默認的是20 m)，點擊“確定”即計算出該區(qū)域土方量[9]。本區(qū)域2018年3月1日至2018年4月1日共計挖方量170萬m3，填方量50萬m3，如圖8、圖9所示。

圖8 CASS方格網(wǎng)土方計算對話框

圖9 CASS方格網(wǎng)土方計算成果

4 結 語

本次案例展示出天狼星在復雜地形條件測繪大比例尺地形圖的優(yōu)勢，天狼星無人機航測解決方案可作為中高空航攝的有效補充，在工程測量領域完成高精度地形圖測制工作。天狼星無人機航攝系統(tǒng)配備的高集成化的軟件處理程序?qū)崿F(xiàn)了地形圖作業(yè)流程化、模塊化，大大節(jié)省了外業(yè)數(shù)據(jù)坐標采集工作量，縮短了工期，經(jīng)過簡單培訓就可以完成專業(yè)人員的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。在人員無法到達或難以測繪的復雜地形區(qū)域，高密度的點云數(shù)據(jù)和高精度數(shù)字高程模型為土石方測算等提供了更加精細準確的計量手段。