無人機(jī)仿地飛行在復(fù)雜地形水庫傾斜攝影測量中的應(yīng)用

黃利章

（福建省水投勘測設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350001）

0.引言

水庫是由人工在某特定區(qū)域開掘或攔河而建的人工湖泊，水庫建設(shè)對蓄水、蓄洪、農(nóng)業(yè)灌溉、漁業(yè)生產(chǎn)及氣候調(diào)節(jié)等產(chǎn)生巨大作用。部分水庫建造時(shí)間較久，隨著自然環(huán)境的改變和人類活動(dòng)的影響，水庫所處位置的地形、水庫輪廓等可能發(fā)生改變，需及時(shí)補(bǔ)充水庫位置地形圖，以滿足規(guī)劃需求。水庫位置往往處于山溝或河谷地帶，地勢復(fù)雜，高低起伏明顯，周圍植被較多，采用傳統(tǒng)的人工手持RTK測量方法較困難，很多地方人工難以到達(dá)，精度低且危險(xiǎn)系數(shù)較高。隨著無人機(jī)攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，具有差分GNSS模塊的小型多旋翼無人機(jī)技術(shù)逐步成熟，傾斜攝影測量技術(shù)憑借其效率高、成圖快、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢，在復(fù)雜地區(qū)地形圖測繪、實(shí)景三維構(gòu)建等領(lǐng)域得到極大的推廣應(yīng)用。為合理調(diào)度水庫、及時(shí)洪澇預(yù)警、細(xì)化水庫管理，張宙[1]等人采用傾斜攝影測量技術(shù)對南溝門水庫進(jìn)行1∶2 000地形圖繪制，通過裸眼三維采集的方式制作測區(qū)數(shù)字線劃圖，結(jié)果表明：應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行水庫1∶2 000地形圖測繪成果滿足精度要求。在部分高低起伏明顯地區(qū)，無人機(jī)仿地飛行技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，在常規(guī)傾斜攝影測量定高飛行并進(jìn)行石灰礦地形測量時(shí)，由于礦區(qū)地勢起伏較大，導(dǎo)致產(chǎn)品分辨率不一致，重疊率無法滿足要求，成圖精度較低。為解決此類問題，辛[2]借助地面像控點(diǎn)，結(jié)合多旋翼無人機(jī)對石灰礦進(jìn)行三維建模及礦區(qū)地形圖繪制，取得較好的效果。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在水庫地形圖繪制中效果較好，仿地飛行也能滿足地勢起伏較大的石灰礦地形圖繪制精度要求，因此將無人機(jī)仿地飛行技術(shù)與傾斜攝影測量相結(jié)合并應(yīng)用于水庫測量中，以福建省某水庫1∶1 000地形圖繪制項(xiàng)目為例，構(gòu)建水庫區(qū)域模型，利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件繪制地形圖，并進(jìn)行精度評價(jià)。

1.傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了傾斜攝影測量技術(shù)的進(jìn)步，傾斜攝影測量技術(shù)主要是通過在飛行平臺上搭載多鏡頭影像傳感器，借助多個(gè)影像傳感器從不同角度獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)及地物紋理信息，飛行平臺上還搭載定位系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)記錄影像數(shù)據(jù)位置信息，利用影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維模型、DOM（數(shù)字正射影像圖）、DEM（數(shù)字高程模型）、DSM（數(shù)字地表模型）、DLG（數(shù)字線劃地圖）的構(gòu)建。目前傾斜攝影測量技術(shù)在城市規(guī)劃、文物保護(hù)、應(yīng)急搶險(xiǎn)、環(huán)境治理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得較好效果[3]。

無人機(jī)飛行平臺具有靈活便捷、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，飛行器平臺上除搭載多視角影像傳感器，還搭載多種傳感器，可實(shí)時(shí)記錄航高、航向、影像重疊度、影像位置參數(shù)，借助傾斜影像并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行空三處理，可實(shí)現(xiàn)地形、地物實(shí)景三維模型的高精度構(gòu)建和地形圖的快速繪制。

相較于傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)優(yōu)勢明顯：

（1）操作方便，在相對飛行高度較低的區(qū)域，傾斜攝影測量技術(shù)較為適用，飛行空域申請流程簡單，對天氣環(huán)境的要求相對簡單，對于距城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)的大型水利工程而言，不用考慮大型飛機(jī)的起降要求；

（2）機(jī)動(dòng)靈活，測量實(shí)施快捷，準(zhǔn)備工作簡單，根據(jù)天氣變化可快速進(jìn)入測區(qū)；

（3）費(fèi)用及人工投入較少，設(shè)備使用消耗較少；

（4）安全系數(shù)較高，無人機(jī)降低了人工外業(yè)工作量，尤其是在環(huán)境復(fù)雜或氣候變化較大的地區(qū)，保障了工作人員的人身安全。

2.仿地飛行

在某區(qū)域高程已知的情況下，隨著地勢起伏，無人機(jī)在飛行作業(yè)過程中可保持與地面相對高程穩(wěn)定不變，該技術(shù)稱為仿地飛行技術(shù)如圖1所示。憑借仿地飛行技術(shù)，地勢起伏明顯的地形區(qū)域，可根據(jù)其不同高度設(shè)定飛行高度，提高飛行數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，保障數(shù)據(jù)分辨率的一致性[4]。

圖1仿地飛行示意圖

通常情況下，測區(qū)內(nèi)包含山體或建筑物時(shí)，高程變化較大，以固定航高進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，遇到高程較高的區(qū)域，易造成采集的影像視角范圍內(nèi)地物較少、覆蓋范圍較小的情況，從而導(dǎo)致相鄰高差較大的區(qū)域影像重疊度不足，后期空三處理失敗。利用仿地飛行技術(shù)可隨著地形變化及航高優(yōu)勢，提高影像重疊度和空三處理的成功率，保障地面分辨率一致性，提高數(shù)據(jù)精度，同時(shí)降低飛行器撞山的概率。

目前常用的仿地飛行有以下兩種：

（1）預(yù)飛行模型，采用傳統(tǒng)模式在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并制作該區(qū)域DSM，導(dǎo)入預(yù)飛行制作的DSM，并以此進(jìn)行航線規(guī)劃。該方法適用于地物植被復(fù)雜、建筑物高程不明確的區(qū)域；

（2）已有DEM（數(shù)字高程模型），借用已公開的DEM數(shù)據(jù)代替DSM數(shù)據(jù)，由于DEM數(shù)據(jù)缺少植被、建構(gòu)筑物等高程信息，故在該方法使用過程中，需對測區(qū)內(nèi)的相關(guān)地物信息進(jìn)行詳細(xì)分析。全國公開DEM數(shù)據(jù)有空間分辨率為SRTM90m、ASTER GDEM30m、ALOS12.5m的供下載。

3.傾斜攝影測量仿地飛行技術(shù)應(yīng)用

針對水庫區(qū)域的地形地貌和無人機(jī)仿地飛行特點(diǎn)，考慮采用大疆M300 RTK無人機(jī)，輔以少量地面控制點(diǎn)和千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，設(shè)置較高的重疊度(航向80%、旁向70%)對測區(qū)進(jìn)行仿地飛行模式航測，在Context Capture中建立實(shí)景三維模型，最后在EPS中進(jìn)行三維立體采集成圖并進(jìn)行成果精度驗(yàn)證。具體流程如圖2所示。

圖2傾斜攝影測量地形圖生產(chǎn)流程

3.1 飛行設(shè)備

大疆M300 RTK是大疆公司推出的最新款多旋翼行業(yè)應(yīng)用無人機(jī)，具有精度高、續(xù)航時(shí)間長、抗干擾能力強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)勢，配合大疆禪思P1相機(jī)，利用其仿地飛行模式，適合本次傾斜影像數(shù)據(jù)的采集。大疆M300 RTK航測系統(tǒng)由無人機(jī)飛行平臺、影像傳感系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)以及軟件支撐平臺組成。具體參數(shù)如表1所示。

表1大疆M300RTK與大疆禪思P1相機(jī)航測系統(tǒng)參數(shù)

3.2 航線規(guī)劃

通過預(yù)飛行制作DSM數(shù)據(jù)，并以此作為仿地飛行的航線規(guī)劃地形參照數(shù)據(jù)，重疊度設(shè)置為航向80%，旁向重疊度70%。

3.3 像控點(diǎn)布設(shè)

為保障航向重疊度合理性、灰度一致性，降低影像匹配難度，提高匹配精度，采取區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的像控點(diǎn)布設(shè)方法，由RTK技術(shù)統(tǒng)一布點(diǎn)，在測區(qū)外圍布設(shè)角點(diǎn)像控點(diǎn)，在測區(qū)內(nèi)部合理均勻增加像控點(diǎn)，像控點(diǎn)間隔應(yīng)小于600 m，整個(gè)測區(qū)布設(shè)36個(gè)像控點(diǎn)，其中12個(gè)為像控點(diǎn)檢測點(diǎn)，用于精度檢驗(yàn)，以CSCS 2000坐標(biāo)系統(tǒng)為本次測區(qū)平面坐標(biāo)系統(tǒng)，使用高斯投影方式，本次試驗(yàn)采用1985國家高程基準(zhǔn)[5]。

3.4 傾斜影像采集

數(shù)據(jù)采集時(shí)要確保網(wǎng)絡(luò)信號通信良好，使用千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)配合大疆M300 RTK航測系統(tǒng)仿地飛行模塊進(jìn)行本次傾斜數(shù)據(jù)的獲取，注意起降位置周圍環(huán)境情況，保障無人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)安全。數(shù)據(jù)采集階段規(guī)劃5個(gè)航次飛行，獲取傾斜影像數(shù)共2123張。

3.5 傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

3.5.1數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段首先要分析無人機(jī)獲取的傾斜數(shù)據(jù)是否滿足空三解算要求，剔除采集的無法使用或不涉及繪圖區(qū)域的數(shù)據(jù)，通過該步驟保障空三解算的成功率，提高空三解算的精度。其次準(zhǔn)備相機(jī)相關(guān)參數(shù)及POS數(shù)據(jù)，為下一步空三解算作準(zhǔn)備。

3.5.2空三解算

根據(jù)地面控制點(diǎn)，結(jié)合空間前方交會和空間后方交會原理，可解算出未知點(diǎn)的坐標(biāo)和影像外方位元素，通過此參數(shù)進(jìn)行模型定向，此過程稱為空三解算或空三加密。空三解算時(shí)第一步進(jìn)行自由網(wǎng)平差，自由網(wǎng)平差需結(jié)合地面控制點(diǎn)，導(dǎo)入地面像控點(diǎn)并進(jìn)行刺點(diǎn)，若該控制點(diǎn)在多個(gè)影像中重復(fù)出現(xiàn)，可選擇該點(diǎn)作為刺點(diǎn)。

完成刺點(diǎn)后，即可對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，進(jìn)而完成空三解算。

空三解算通常借助數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)，本次采用Context Capture軟件，空三解算成果可在空三結(jié)束后報(bào)告中查看，判斷空三結(jié)果是否合格。

3.5.3實(shí)景三維模型構(gòu)建

實(shí)景三維模型構(gòu)建是自動(dòng)化處理過程,需提前設(shè)置構(gòu)建模型范圍、瓦片大小、輸出格式、坐標(biāo)系統(tǒng)等,設(shè)置完成后提交生產(chǎn)任務(wù)，自動(dòng)進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建。自動(dòng)構(gòu)建的實(shí)景三維模型較粗糙，存在一定的畸變，需進(jìn)行模型修飾細(xì)化，細(xì)化后的實(shí)景三維需進(jìn)行精度檢驗(yàn)，檢查是否合格。檢驗(yàn)合格的實(shí)景三維模型可導(dǎo)入EPS軟件進(jìn)行裸眼地形圖繪制，具體流程如圖3所示，部分區(qū)域數(shù)字線劃圖如圖4所示。

圖3 EPS三維繪圖流程圖

圖4部分區(qū)域數(shù)字線劃圖

4.精度分析

地形圖精度分析通?？刹捎脗鹘y(tǒng)數(shù)字化測圖繪制的地形圖與傾斜攝影測量地形圖進(jìn)行對比，同時(shí)采用對應(yīng)檢查點(diǎn)對地形圖進(jìn)行精度分析，其檢查點(diǎn)位置可選擇房角點(diǎn)、路燈、道路標(biāo)識牌等。

利用測區(qū)內(nèi)預(yù)留的12個(gè)檢查點(diǎn)，將RTK坐標(biāo)與圖上坐標(biāo)進(jìn)行比較，以RTK坐標(biāo)為真值，求解傾斜攝影測量地形圖測量結(jié)果的中誤差，如式（1）所示：

式（1）中，ms為平面中誤差；mh為高程中誤差；Δsi為平面殘差；Δhi為高程殘差，n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2地形圖精度結(jié)果 單位：cm

由表2可知：平面中誤差為5.6 cm，高程中誤差為8.1 cm。傾斜攝影測量結(jié)合仿地飛行技術(shù)能完成1∶1 000水庫地形圖繪制及精度要求。

5.結(jié)束語

復(fù)雜地區(qū)水庫地形圖繪制需考慮固定航線高度飛行存在的問題，本文采用傾斜攝影測量技術(shù)并結(jié)合無人機(jī)仿地飛行功能，實(shí)現(xiàn)高差較大區(qū)域的水庫地形圖與實(shí)景三維模型的高精度繪制與重建：

（1）針對仿地飛行的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，并對兩種仿地飛行實(shí)現(xiàn)方向進(jìn)行分析，為提高繪圖精度，保障繪制效率，本文選擇預(yù)飛行模式，先進(jìn)行測區(qū)DSM數(shù)據(jù)粗略采集，并以此規(guī)劃航線；

（2）闡述傾斜影像地形圖與實(shí)景三維模型構(gòu)建流程，對所測水庫區(qū)域的地形圖進(jìn)行精度檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，該方法滿足繪圖精度要求，可行性較高。