無人機航測在礦山井田區(qū)域地形圖測繪中的應用

趙軍偉

(晉能控股煤業(yè)集團有限責任公司 晉城煤炭事業(yè)部,山西 晉城 048000)

無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機[1-2]。航空攝影測量(aerial photogrammetry)指的是在飛機上用航攝儀器對地面連續(xù)攝取像片,結合地面控制點測量、調繪和立體測繪等步驟,繪制出地形圖的作業(yè)[3-4]。本項目相比傳統(tǒng)的航空攝影測量方法,有著作業(yè)效率高,成本低,使用范圍廣等優(yōu)點。

1 測區(qū)概況及儀器設備

1.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于山西省晉城市沁水縣端氏鎮(zhèn),有侯月鐵路和端潤一級路從項目區(qū)內穿過,有高沁高速、省道331坪曲線在測區(qū)附近通過,交通便利。測區(qū)范圍面積約14.1 km2,沁河在測區(qū)內從北到南穿過,區(qū)域內高山、丘陵、河谷、居民區(qū)密布,作業(yè)難度較大,干擾因素較多。海撥最高為井田西北的克山，其值為732.60 m,最低為礦井工業(yè)廣場沁水河床，高550.20 m。

測區(qū)內地形起伏較大、溝壑縱橫,地貌單元為山地地貌,區(qū)內氣候溫暖,交通便利,平均氣溫12.2℃,年降水量580.2 mm。

1.2 飛行平臺及航攝儀

圖1 大鵬CW-10C無人機

表1 無人機飛機參數(shù)一覽表

航攝儀使用索尼A7R半畫幅微單相機,主要技術指標為主距35.00 mm;像元尺寸4.88 μm;像元數(shù)(pixel)7 360×4 912。

1.3 航攝軟件

天工全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)(CW-10C UAS),該測量系統(tǒng)由武漢訊圖科技有限公司研發(fā),整合了航線規(guī)劃和任務飛行、過程數(shù)據(jù)提取、飛行質量檢查、空三加密、DOM 生產 5 大模塊,能滿足本項目航飛作業(yè)及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的要求。

影像處理建模軟件是ContextCapture,它是基于數(shù)碼照片生成全三維模型的軟件解決方案;其特點是能夠基于數(shù)字影像照片全自動生成高分辨率真三維模型;照片可以來自于數(shù)碼相機、手機、無人機載相機或航空傾斜攝影儀等各種設備;適應的建模對象尺寸從近景對象到中小型場所再到街道再到整個城市[5-7]。

立體采集軟件是uFeature3D,它是一款面向航測的信息化測繪軟件,集成測繪、CAD、GIS三個領域的實用技術,提供空間和屬性數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、采集、編輯、管理、分析、制圖輸出等測繪和GIS的核心功能。系統(tǒng)包含三維采集模塊,支持用戶在實景三維模型上進行地物采集和成圖等工作,并提供多種量測和繪圖工具,滿足多樣化繪圖需求。

2 外業(yè)航攝及內業(yè)影像數(shù)據(jù)處理

2.1 飛行任務

根據(jù)對測區(qū)范圍的地形分析,測區(qū)相對高差約180 m。劃分航攝分區(qū)遵循原則為：分區(qū)界線應與圖廓線相一致；分區(qū)內的地形高差不應大于 1/6 攝影航高；在地形高差符合規(guī)定,能夠確保航線的直線性的情況下,分區(qū)的跨度應盡量劃大,能完整覆蓋整個攝區(qū)；當?shù)孛娓卟钔蛔?地形特征差別顯著或有特殊要求時,可以破圖廓劃分航攝分區(qū)。

本次航攝進行了分區(qū)設計,共分2個航攝區(qū),進行了3個架次的航測作業(yè)。CW-10C 無人機具有垂直起降固定翼的特點,對起降場地要求較低,一般在平整、空曠場地即可完成起降動作,飛行過程中轉換成固定翼飛行，飛行時間長且飛行距離遠。

本次作業(yè)在無人機飛控軟件中加載Microsoft Hybrid影像和高程數(shù)據(jù),自動進行航線的規(guī)劃設計,航攝基準600 m,相對航高180 m,影像基線長度為2.138 75 mm。航向重疊度設置為80%,旁向重疊度設置為60%。完成面積為18 km2,最后所得各條航帶數(shù)據(jù)滿足后續(xù)處理的要求及精度。

2.2 相片控制點的布設與實測

1)相片控制點的布設。本項目全區(qū)共布設像控點50個、實際采用42個。布點采用“全野外平高區(qū)域網(wǎng)布點法”,像控點均選在高程變化較小的平坦地方,例如平山頭、道路或田間平地,且在測區(qū)內均勻分布。像控點采用L字白石粉或L字紅油漆標志,線寬0.3 m,長0.6～0.8 m,保證可以從航測照片上清晰可見,測量直角外角。測區(qū)按照GNSS輔助無人機高精度稀少像控點方案實施。GNSS輔助空中三角測量中的像控點布設與常規(guī)密周邊布點方式有較大差異,主要布設在設計航線和構架航線交匯處。特殊情況布點:當因各種原因需要補飛航線時,補飛航線與正常航線接合處應各自分別布設一對平高點,以便于后期模型接邊；特殊情況下的布點按照規(guī)范 GB/T 7931—2008《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》執(zhí)行。

2)像控點的編號。本項目像控點和測區(qū)控制點重合布設,故對像控點進行統(tǒng)一編號;平高點采用英文字母 P+流水號的方式編號(如:P0001),平高檢查點用英文字母 J+流水號的方式編號(如:J0001),全測區(qū)各類控制點不重復編號。

3)像控點測量。本次像控點部分采E級GPS 控制點,缺少的部分根據(jù)需要實地另行布設。與E級GPS 控制點公用的相控點點位從平面控制測量獲取,單獨布設的相控點點位坐標利用測地型GNSS接收機RTK模式連接SXCORS系統(tǒng),在固定解的狀態(tài)下對L型像控點直角外角進行采集,每次采集10個歷元,采樣間隔 2 s,共測3個測回,取3次測量的平均值作為最終測量結果。

2.3 低空攝影實施

按照預定任務進行航攝。本次飛行時間段選擇在上午9點至下午5點之間。在作業(yè)期間,綜合考慮以下因素:大氣透明度好;光照充足;地表植被及其覆蓋物對攝影成圖影響最小;考慮太陽高度角與陰影倍數(shù),在正午前后2 h作業(yè);風速小于無人機抗風能力12 m/s。CW-10C 無人機具有垂直起降固定翼的特點,對起降場地要求較低,一般在平整、空曠場地即可完成起降動作,應用GCS-202地面站和數(shù)傳系統(tǒng),可全程利用CWCommander地面站軟件對無人機進行控制。“飛行任務規(guī)劃與執(zhí)行”工作模式是自駕儀設備在執(zhí)行飛行任務過程中的工作模式,當用戶將自駕儀設備安裝到無人飛行器,并與飛行器的執(zhí)行裝置,任務設備的調試完成,即可在該模式中進行飛行任務的規(guī)劃和執(zhí)行。在軟件右側停靠若干窗體,可分別進行飛行控制和飛行狀態(tài)顯示。飛機安全降落后,地面站人員把相機里的數(shù)據(jù)拷貝在電腦上進行檢查,具體操作如下:航攝任務完成后,在CWCommander軟件航攝任務菜單中的航拍動作頁面,首先請求照片總數(shù),然后下載POS數(shù)據(jù),下載完成后,航攝照片POS以文本文件的形式保存,并自動打開,檢查無誤后,可將其存到文件夾進行后期處理。

2.4 飛行質量檢查

當外業(yè)航飛工作完成,需采用天工全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)(CW-10C UAS)中的飛行質量檢查模塊對外業(yè)航飛成果進行檢查,主要檢查以下內容:航片重疊度;航片傾角;航線彎曲度;像片旋偏角同一航線上相鄰像片的航高差;影像分辨率;影像是否有漏洞等。

2.5 航攝數(shù)據(jù)影像處理

本次作業(yè)不僅使用了RTK實時差分技術，還結合使用了PPS后差分處理技術。處理軟件結合航飛原始POS數(shù)據(jù)photo、地面站數(shù)據(jù)Base和移動站數(shù)據(jù)Rover以及基站信息,對航飛照片進行后差分處理,獲取厘米級的航飛數(shù)據(jù)。JOPPS后處理軟件處理的數(shù)據(jù)需保證固定解(fix)不小于90%,解算結果以*.txt格式保存,通過對機載接收機和地面站接收機所記錄的衛(wèi)星觀測原始數(shù)據(jù)進行后處理差分解算,改正相關擾動數(shù)據(jù)等,從而獲得厘米級的動態(tài)位置,POS數(shù)據(jù)及高度精度,可減少至少80%的外業(yè)像控點,并且能極大地提高航測的作業(yè)效率和數(shù)據(jù)精度。

空三加密與模型建立采用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)ContextCapture,該系統(tǒng)空三像點精度優(yōu)于2/3個像素,模型精度滿足1∶2 000精度。全自動三維建模采用多機多節(jié)點并行運算的ContextCapture軟件進行,將空三后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維TIN格網(wǎng)構建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構建。模型修飾原則上只對水域空缺或模型漏洞進行修補,采用水面或補飛數(shù)據(jù)進行約束干預后重新生成模型,使模型不存在漏洞。影像數(shù)據(jù)處理成果圖形如圖2所示。

圖2 局部三維模型圖

3 地形圖的制作

使用uFeature3D進行地形圖繪制,加載DSM進行三維坐標采集,同時用適當?shù)姆柋硎玖Ⅲw下識別的地物。立體采集原則:由內業(yè)定位,外業(yè)定性。內業(yè)將有把握并能夠判斷準確的地物、地貌要素直接采集;對無把握判斷準確的地物須盡量采集,并用圓圈進行標記由外業(yè)實地進行精確定位和補調。立體模型中地物輪廓全部可見的要用測標中心切準地物外輪廓和定位點采集,做到不遺漏、不變形、不移位。地物輪廓部分可見時,要測繪出部分輪廓線。在辨別困難處作出標記,留作外業(yè)進行處理。水系如水塘、雙線水渠及河流,以岸邊線為外輪廓線。測制地形圖時,其平面坐標和高程取小數(shù)位都為0.1 m。明顯地物點、地形特征點、一類方位物上均要求測繪高程注記點。等高線全部用人工以測標切準立體模型采集,不得穿越房屋,且注意不得有點、線矛盾。模型接邊圖幅接邊點、線、面保持一致性。

3.1 高程點要素采集

采用人工點選、線選、面選的方法,分別對測區(qū)范圍內不同地貌進行采集,高程變化大的地貌,高程點密集采集,地勢平緩之處則均勻分布;利用采集好的高程點建立三角網(wǎng)(DTM),并對三角網(wǎng)進行編輯,達到圖面DTM完善;在完善的DTM基礎上,繪制等高線,等高線采用曲線模式,1∶2 000等高距為2 m。

3.2 線要素采集

使用相應的線型符號,在立體下對地物的邊界進行勾繪,采集時沒有使用擬合性質的曲線,線段上點間距設置合理,保證了曲線的光滑和真實,數(shù)據(jù)沒有失真。

3.3 面要素采集

閉合的面按多邊形采集,較大的水域用流線段采集,保證線的連接和高程值的合理,對于高低層次不同的面狀地物,依據(jù)技術設計書的原則,從最高處地物封閉采集,低層地物依附于高層地物[8-9]。立體采集繪制地形圖如圖3所示。

圖3 立體采集繪制地形圖

本項目1∶2 000地形圖共完成14.31 km2。采用50 cm×50 cm標準正方形分幅,共計24幅。地形圖接圖表如圖4所示。

圖4 1∶2 000地形圖接圖表

3.4 優(yōu)勢

傳統(tǒng)的航測立體采集利用不同攝站建立具有一定重疊度的立體像對采集,一般需要在專門的立體環(huán)境(包括立體顯示器、立體顯卡、立體眼鏡)形成立體效果,通過控制手輪和腳盤,觀測立體鏡來采集立體像對的物點三維坐標。而在立體模型上的立體采集具有以下優(yōu)勢:設備簡單成本低,不需要立體環(huán)境和手輪腳盤,普通電腦就可以操作;易于操控且作業(yè)形式簡單,不需要訓練就可以采集;最終成果數(shù)據(jù)的制作周期短、模型的清晰度高、邏輯性連續(xù)、數(shù)據(jù)更有保證、工人的勞動強度降低。

4 成果質量檢查

4.1 內容檢查

主要檢查內容為地形圖成果地物地貌要素表示的完整、準確,各種圖式符號、文字和注記的規(guī)范,圖面清晰、美觀,各種線型表示是否符合要求。屬性精度檢查主要包括分類代碼和屬性正確性的檢查。分類代碼主要檢查地形地物分類代碼是否正確使用、是否接邊;屬性正確性主要檢查屬性值是否正確使用;完整性檢查主要檢查地圖基本要素是否完整,地形地物要素是否遺漏;邏輯一致性檢查主要檢查概念一致性、拓撲一致性和格式一致性;表證質量檢查主要檢查幾何表達、地理表達、符號、注記和整飾等;附件質量檢查主要檢查元數(shù)據(jù)、質量檢查記錄、質量檢查驗收報告和技術總結的完整性、正確性。

4.2 數(shù)學精度檢查

空間參考系檢查涉及大地基準、高程基準和圖形投影三個方面。大地基準主要檢查平面坐標系是否符合要求;高程基準主要檢查高程基準是否正確使用;地圖投影主要檢查地圖投影是否正確使用,地圖分幅和內圖廓信息是否正確和完整;位置精度檢查主要涉及地形地物的平面和高程精度。平面精度檢查內容包括平面位置中誤差、控制點坐標、地物幾何位移和接邊誤差;高程精度檢查內容包括高程注記點的誤差、等高線高程中誤差、控制點高程和等高距是否正確。使用GNSS測地型接收機RTK模式對地形圖隨機選取20個均勻分布的明顯地物點作為檢測點,測定檢測點的坐標,結果如由表2可知,DLG數(shù)字線畫圖精度滿足規(guī)范要求。表中X、Y、h表示選取圖上地物點的橫坐標、縱坐標和高程；X檢、Y檢、h檢表示實測地物點的橫坐標、縱坐標和高程；ΔX、ΔY、Δh、Δd分別表示橫坐標較差、縱坐標較差、高程較差和距離較差；Es、Eh表示平面位置中誤差和高程中誤差。

表2 數(shù)字線畫圖精度檢核表

5 結論

本文通過航空攝影測量作業(yè)方法對坪上礦1∶2 000井田區(qū)域地形圖的測繪，得出結論：本套作業(yè)方案獲取的DSM、DLG精度更高;使用PPS事后差分后，相控點數(shù)量降低了2/3,減少了外業(yè)作業(yè)；使用uFeature3D采集系統(tǒng)，使得立體采集沒有了硬件限制，降低了作業(yè)門檻，提高了工作效率。此次工作從項目開始到提交成果需要7 d，充分發(fā)揮了無人機航空攝影測量的優(yōu)勢與特點，具有一定參考意義。