小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

謝海燕

（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200438）

小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用

謝海燕

（上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200438）

近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣。以小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用研究為目的，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)行了無(wú)人機(jī)航測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)小型無(wú)人機(jī)測(cè)圖的流程及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并利用外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)航測(cè)精度進(jìn)行評(píng)估，為小型無(wú)人機(jī)在在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

無(wú)人機(jī)；攝影測(cè)量；大比例尺地形圖

0 引言

航空攝影測(cè)量方法是獲取較大范圍地理信息數(shù)據(jù)的主要測(cè)繪方法之一[1]。隨著技術(shù)進(jìn)步，航空攝影測(cè)量已廣泛應(yīng)用到大范圍地區(qū)中小比例地形圖測(cè)繪中。

相對(duì)于傳統(tǒng)的全站儀、G P S-R T K等全野外采集方式，航空攝影測(cè)量在成圖周期、數(shù)據(jù)采集效率、人力成本方面都有一定優(yōu)勢(shì)[2]。但是常規(guī)航空攝影測(cè)量往往受限于飛行高度、空管調(diào)度、起降條件等因素，無(wú)法滿(mǎn)足小范圍大比例尺地形圖測(cè)繪需求。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的興起和發(fā)展，為大比例尺地形圖測(cè)繪提供了新的方向。本文依托于上海某場(chǎng)地測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

1 小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造

小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，非量測(cè)型相機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、地面站、遠(yuǎn)程通信裝置及地形數(shù)據(jù)處理軟件等[3]。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

和傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行相比，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)具備多方面的顯著優(yōu)點(diǎn)[4]:

（1）方便、快捷。小型無(wú)人機(jī)受飛行場(chǎng)地限制小，飛行系統(tǒng)在升空上所花的準(zhǔn)備時(shí)間短暫，操作非常簡(jiǎn)便，作業(yè)方式靈活；且小型無(wú)人機(jī)不需要申請(qǐng)空域、攜帶方便。

（2）成本低廉。在平臺(tái)搭建、維護(hù)以及作業(yè)方面，成本均較為低廉。

（3）容易獲取信息。由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行高度偏低，可以得到精度高的大比例尺影像，在小范圍信息獲取方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。

（4）后續(xù)處理可靠性強(qiáng)。可根據(jù)需求獲取高重疊度的影像，增強(qiáng)成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理能力[5]。

2 測(cè)區(qū)概況

本測(cè)區(qū)位于上海市浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn)大治河入海口南側(cè)，東樂(lè)路(海堤路)北側(cè)。場(chǎng)地由西側(cè)原楊園道橋有限公司(預(yù)制梁廠(chǎng))及東側(cè)至涵口灘涂組成，南北長(zhǎng)約1.8km，東西長(zhǎng)約0.18km，面積約0.32km2。由于東側(cè)灘涂為潮間灘，測(cè)量人員進(jìn)入十分困難，因此以小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集十分必要。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理

本次測(cè)量以D J I P h a n to m 3P r o多旋翼無(wú)人機(jī)作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。數(shù)據(jù)采集與處理作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

3.1 控制點(diǎn)布測(cè)

小型無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中飛行姿態(tài)并不穩(wěn)定，其記錄的P O S信息無(wú)法滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖需求[6]。為提高成圖精度，本次在測(cè)區(qū)均勻布設(shè)控制點(diǎn)13個(gè)。控制點(diǎn)平面坐標(biāo)采用采用基于上海市G N SS連續(xù)運(yùn)行參考站S H-C O R S系統(tǒng)的G P S網(wǎng)絡(luò)R T K按三級(jí)點(diǎn)測(cè)量，控制點(diǎn)高程采用上海吳淞高程系統(tǒng)，采用經(jīng)區(qū)域高程擬合校正的G P S網(wǎng)絡(luò)R T K進(jìn)行測(cè)量。平面及高程精度均小于±2 c m。為了后期控制點(diǎn)識(shí)別，所有控制點(diǎn)均用寶馬標(biāo)志樣式靶標(biāo)進(jìn)行鋪蓋。

圖1 無(wú)人機(jī)作業(yè)流程圖

3.2 影像數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行影像采集前先使用D J I G O軟件接入無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行前指南針校準(zhǔn)、S D卡檢查、無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)等準(zhǔn)備工作，然后采用A lt i z u r e軟件進(jìn)行航線(xiàn)設(shè)定。根據(jù)測(cè)區(qū)東西寬，南北窄的特點(diǎn)，將測(cè)區(qū)沿東西方向分為5個(gè)飛行區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)飛行架次。本次飛行設(shè)定航向重疊度為85%，旁相重疊度80%，飛行高度70 m。

航線(xiàn)規(guī)劃好后采用控制系統(tǒng)放飛無(wú)人機(jī)，利用其自動(dòng)飛行模塊沿設(shè)定好的航線(xiàn)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中通過(guò)地面遙控終端實(shí)時(shí)查看影像采集狀況。

3.3 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

飛行結(jié)束后將拍攝的像片導(dǎo)出，并根據(jù)找出有像控點(diǎn)的照片，每個(gè)像控點(diǎn)選擇6張照片，保證像控點(diǎn)盡可能在照片中部，減少照片畸變影響。將照片添加到攝影測(cè)量自動(dòng)建模軟件，通過(guò)查看影像曝光點(diǎn)位置，刪除多余影像。將像控點(diǎn)數(shù)據(jù)添加到軟件中后，進(jìn)行刺點(diǎn)工作，為保證后續(xù)處理精度，刺點(diǎn)時(shí)盡量選取靶標(biāo)的中心位置。

3.4 影像數(shù)據(jù)處理

影像數(shù)據(jù)處理中的空三解算、點(diǎn)云加密過(guò)程皆通過(guò)專(zhuān)業(yè)攝影測(cè)量處理軟件自動(dòng)完成，并自動(dòng)生成D SM和DO M成果。其中控制點(diǎn)空三解算精度見(jiàn)表1。

表1 空三解算精度

可見(jiàn)解算精度均滿(mǎn)足1∶1 000航空攝影測(cè)量規(guī)范[7]。

DO M和D SM部分成果分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 DOM

圖3 DSM

3.5 地形圖繪制

將DO M加載到A r c G I S中，分別建立房子、道路、水泥板、水池、坡、坎等等圖層，根據(jù)DO M進(jìn)行分層矢量化。將野外采集的建筑物、道路等地物特征點(diǎn)展繪到A r c G I S中，與攝影測(cè)量矢量化的特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)DO M矢量化的圖形進(jìn)行糾正，得到更高精度的矢量化成果。地物地貌的高程數(shù)據(jù)采用通過(guò)D SM選取及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量高程點(diǎn)結(jié)合的方式在A r c G I S中生成。最后將所有矢量化成果轉(zhuǎn)換到C A D中，根據(jù)數(shù)字地形成圖要求進(jìn)行地圖整飾，生成D W G格式最終成果。部分地形見(jiàn)圖4。

圖4 部分地形圖

4 精度分析

本次將現(xiàn)場(chǎng)G P S-R T K實(shí)測(cè)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的影像成圖點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，從平面和高程兩個(gè)方面分析和評(píng)估實(shí)驗(yàn)精度。其中平面精度評(píng)定時(shí)為減少人為誤差，隨機(jī)采集了房角、水池角等定型地物的特征點(diǎn)作為對(duì)比數(shù)據(jù)。平面對(duì)比精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 平面精度統(tǒng)計(jì)表

高程精度分析以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)高程點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用D SM在實(shí)測(cè)點(diǎn)相同位置提取無(wú)人機(jī)測(cè)圖高程點(diǎn)，與實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高程比較。高程精度統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表3。

由表2和表3可知，無(wú)人機(jī)測(cè)圖與傳統(tǒng)方法采集數(shù)據(jù)相比，平面中誤差為0.180 m，高程中誤差為0.221m,而《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》中要求1∶1 000比例尺平面和高程中誤差分別為0.6 m和0.4 m，1∶500比例尺平面和高程中誤差分別為0.4m和0.4 m[8]。因此本實(shí)驗(yàn)條件下滿(mǎn)足到1∶1 000測(cè)圖要求，無(wú)法達(dá)到1∶500測(cè)圖要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將小型無(wú)人機(jī)應(yīng)用與小范圍大比例尺地形圖測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐，并通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)量方法采集數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及精度，為小型無(wú)人機(jī)在在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在嚴(yán)格控制無(wú)人機(jī)航測(cè)像控點(diǎn)及飛行條件的情況下，可以基本滿(mǎn)足1∶1000大比例尺地形圖測(cè)圖需求。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們也發(fā)現(xiàn)，小型無(wú)人機(jī)由于體積小、重量輕、在飛行過(guò)程中極易受外界環(huán)境影像而使飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，造成成果平面和高程數(shù)據(jù)變形嚴(yán)重而無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。因此建議一方面要選擇合適的飛行條件進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，另一方面要結(jié)合傳統(tǒng)野外測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)改正，以保證成果的精度。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，小型無(wú)人機(jī)在大比例尺地形圖測(cè)繪領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景。

表3 高程精度統(tǒng)計(jì)表

[1]趙翔.基于無(wú)人機(jī)航攝DO M生成技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2015.

[2]錢(qián)建彬,王申俊.eBee無(wú)人機(jī)在大比例尺成圖中的應(yīng)用分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2017,40(1):51-54.

[3]呂立蕾.無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2016,39(2):116-122.

[4]陳曉珍,潘建明.利用無(wú)人機(jī)航空像片進(jìn)行大比例尺測(cè)圖的探討[J].資源信息與工程,2016,31(3):122-123.

[5]曲喬新.無(wú)人機(jī)大比例尺地形圖測(cè)量技術(shù)研究[J].科技資訊, 2015(6):51-52.

[6]高志國(guó),宋楊,曾凡洋.微型無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)快速測(cè)繪小區(qū)域大比例尺地形圖實(shí)驗(yàn)分析[J].工程勘察,2015(12):71-75,86.

[6]JTG D60－2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[7]GB/T 23236－2009,數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角規(guī)范[S].

[8]GB/T 15967-2008,1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范[S]

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1009-7716（2017）06-0274-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.081

2017-04-09

謝海燕（1983-），男，江西吉安人，工程師，從事測(cè)繪工作。