大比例尺地形圖制作中無人機航測技術(shù)應(yīng)用探討

萬飛

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機航測在快速獲取小區(qū)域高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢，其優(yōu)勢是成本低、速度快、分辨率高等，因而可廣泛用于大比例尺航測成圖。本文從實用的角度出發(fā)，以美麗鄉(xiāng)村項目-安徽省桐城楊樹村污水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計項目為實例，將無人機航測技術(shù)應(yīng)用在大比例尺地形圖生產(chǎn)的作業(yè)流程進(jìn)行了分析，分析了DOM、DSM、DEM及三維模型的生成方法，運用外業(yè)實測數(shù)據(jù)監(jiān)測了最終成果DLG的精度情況，最后對無人機航測技術(shù)在大比例尺地形圖制作中的應(yīng)用作了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：無人機;航測技術(shù);三維模型，精度

中圖分類號：P231;P285 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 概述

國家建設(shè)，測繪先行，當(dāng)前我國各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如城市改造、道路橋梁設(shè)計、農(nóng)村宅基地確權(quán)、工程項目精細(xì)設(shè)計等對1：500或1：1 000大比例尺地形圖需求日益增大，隨著航測技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)人工使用全站儀、GPS-RTK等設(shè)備全野外人工采集數(shù)據(jù)及內(nèi)業(yè)加工處理生產(chǎn)方式逐步被淘汰。由于無人機具有機動靈活、經(jīng)濟便捷等特點，而且能夠方便地獲取高分辨率影像，因此采用無人機航攝測量大比例尺地形圖，成本低、工期短、精度高，能夠大幅度減少外業(yè)工作量，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，縮短工期。

1 無人機航攝系統(tǒng)

無人機航攝系統(tǒng)一般由飛行平臺、任務(wù)裝置、地面控制站、發(fā)射與回收系統(tǒng)組成，本文中項目測區(qū)采用深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的精靈Phantom 4 RTK多旋翼平臺，面向低空攝影測量應(yīng)用，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用。

特點：

（1）飛行器內(nèi)置厘米級定位千尋CORS系統(tǒng)，同時支持系統(tǒng)提供衛(wèi)星原始觀測值與相機曝光文件，支持PPK后處理，不受限于通信鏈路與網(wǎng)絡(luò)覆蓋，作業(yè)更加靈活高效。

（2）航測云臺模塊搭載焦距為8.8 mm，1英寸2 000萬像素CMOS傳感器相機，地面采樣距離GSD=H/36.5 cm/pixelH為飛行器相對于拍攝場景的飛行高度（單位：m）。單次飛行最大作業(yè)面積約 1平方公里（飛行高度182 m，即GSD約5 cm/pixel，滿足1：500規(guī)范要求）。

（3）遙控器內(nèi)置GS RTK App飛控系統(tǒng)，在航線規(guī)劃模式下，用戶可自行選擇無人機的飛行航線，自由調(diào)整重疊率、高度、速度、拍攝參數(shù)等，作業(yè)流程自動化。外業(yè)獲取的高清影像數(shù)據(jù)及定位數(shù)據(jù)，回到內(nèi)業(yè)用Photoscan，Terrasolid，CASS 3D，Global-Mapper等圖像處理軟件生產(chǎn)。

2 無人機航測作業(yè)流程

無人機航測作業(yè)流程主要分為外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩大部分。

外業(yè)測量包括：

（1）資料收集，確定測區(qū)范圍。

（2）航攝參數(shù)計算及航線規(guī)劃。

（3）像控點、檢查點布設(shè)與測設(shè)。

（4）無人機影像獲取。

（5）外業(yè)調(diào)繪。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括：

（1）空三加密。

（2）DOM、DSM、DEM及三維模型生產(chǎn)。

（3）裸眼測圖-DLG生產(chǎn)。

（4）數(shù)據(jù)檢查驗收。

3 項目概述

安徽省桐城楊樹村污水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計項目，需要1：500地形圖測繪，等高距1 m，成圖面積約1 km2，0.1 m分辨率的DOM航測面積約1.2 km2。測區(qū)相對高差約50 m，測圖區(qū)域為山區(qū)，起伏較大，平面坐標(biāo)系統(tǒng)為2000國家坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)?？紤]到人員資源調(diào)動比較大，項目工期緊張，GPS信號容易丟失等因素，因此選擇使用大疆精靈4 RTK（P4R）搭配中海達(dá)PPK套裝進(jìn)行高精度航測免像控作業(yè)。外業(yè)1個人即可進(jìn)行，大大提高了作業(yè)效率。

4 實際作業(yè)流程

4.1 測區(qū)范圍航線規(guī)劃

測區(qū)面積為1 km2，因測區(qū)地形起伏較大，為避免出現(xiàn)海拔較高的區(qū)域因重疊率原因?qū)е驴杖霈F(xiàn)空洞的問題，故航線規(guī)劃采用仿地飛行模式，航向重疊度設(shè)置為80%和旁向重疊度設(shè)置為75%，相對飛行高度182 m，地面分辨率約0.05 m，共獲取1 272張影像，預(yù)計飛行55分鐘左右，共2個架次。見圖1。

4.2 像控點與檢查點布設(shè)與施測

本項目共布設(shè)6個像控點，6個檢查點，同時在手機奧維APP中標(biāo)記上像控點與檢查點，各點采用GPS-RTK連接千尋CORS賬號的方式進(jìn)行像控點與檢查點的施測。

4.3 外業(yè)航飛

外業(yè)航飛完后現(xiàn)場及時下載POS數(shù)據(jù)，基站數(shù)據(jù)，檢查照片數(shù)跟POS數(shù)據(jù)是否一致，檢查照片是否漏片，是否存在質(zhì)量問題，檢查完后轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)。

4.4 PPK數(shù)據(jù)解算，POS數(shù)據(jù)獲取

將獲取的各個架次的POS數(shù)據(jù)（機載端：機載數(shù)據(jù)文件PPKRAW.bin、拍照點時刻文件Timestamp.MRK）與基站數(shù)據(jù)（UBase靜態(tài)文件.GNS）在UAV-PPK軟件進(jìn)行事后差分解算，解算后合并整理成需要的POS數(shù)據(jù)文件。

4.5 Photoscan空三加密

將獲取的照片和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入Photoscan進(jìn)行空三加密，檢查空三報告判斷精度是否達(dá)到要求。

4.6 Photoscan建模，點云生產(chǎn)

在Photoscan進(jìn)行三維建模和點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)，分別輸出OSGB格式的文件和LAS格式的點云數(shù)據(jù)文件。

4.7 terrasolid生產(chǎn)等高線

因為獲得的點云數(shù)據(jù)是根據(jù)生成的三維模型得到的數(shù)據(jù)，所以不需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和檢校處理，直接進(jìn)入terrascan模塊進(jìn)行去燥、濾波、點云分類等編輯處理生成DEM文件，從而獲取等高線。

4.8 Cass3D裸眼立體采集，編輯成圖

在Cass3D中，將獲取的OSGB格式的文件生成傾斜模型，然后加載生成的傾斜模型進(jìn)行裸眼立體采集，采集完后導(dǎo)入獲取的等高線進(jìn)行最后編輯成圖。

5 DLG精度檢查

通過Photoscan輸出模型坐標(biāo)與RTK實測6個檢查點的坐標(biāo)誤差如下表，對比結(jié)果完全滿足1：500地形圖精度要求。

6 問題與分析

在大比例尺地形圖的生產(chǎn)中，利用Photoscan進(jìn)行空三加密避免傳統(tǒng)航測的生產(chǎn)方法存在空三加密效率低速度慢的瓶頸問題，傳統(tǒng)航測生產(chǎn)DLG是基于正射影像的基礎(chǔ)上進(jìn)行立體采集，采集窗口聯(lián)動性差，需要佩戴立體眼鏡，同時手輪腳盤要相互配合好，不容易上手，培訓(xùn)周期長，建筑物密集區(qū)域還需要進(jìn)行大量的房檐改正等外業(yè)調(diào)繪工作。在案例中，提出了地形起伏較大區(qū)域采用仿地飛行航拍的手段，內(nèi)業(yè)采用Photoscan做空三加密，然后進(jìn)行三維建模和點云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。生產(chǎn)的點云數(shù)據(jù)用terrasolid點云處理軟件進(jìn)行去燥、濾波、地面點分類等編輯生成DEM文件，從而獲取等高線，最后用Cass3D進(jìn)行裸眼立體采集和內(nèi)業(yè)編輯處理成圖。這種作業(yè)方式上手快，效率高，無需佩戴立體眼鏡，減弱立體眼鏡對繪圖人員視力的傷害，同時也減少了外業(yè)調(diào)繪工作中房檐改正的環(huán)節(jié)，也減少了因房檐改正引起的誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁彥玲，吳海鋒.無人機航空攝影測量技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用探析[J].工程技術(shù)（全文版），2016（9）：276-277.

[2]國家測繪局測繪標(biāo)準(zhǔn)研究所.GB15967—20081：500，1：1000，1：2000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.