無人機航攝RTK技術在園林規劃中的應用

胡永進，曹仁勇

(江蘇農林職業技術學院，江蘇句容 212400)

在傳統的園林規劃設計時，需要對現狀地形地物采取實地查看或采用GPS、全站儀等設備進行全野外實地測量，測制 1 ∶500 大比例尺地形圖(DLG)、正射影像圖件(DOM)。傳統技術方法，存在片面了解現狀地形地物、無法更加清晰地進行規劃設計、繪制的效果圖不符合實際等問題[1]。隨著科學技術的不斷進步、無人機行業的不斷發展，地理信息實景化、三維化的信息化需求逐步提高。無人機在農業、航拍、基建、巡檢、警用和消防領域的應用不斷擴展，其相對投資少、工作量小、工作周期短等特點受到規劃院和設計院青睞[2]。

在風景園林系統規劃應用方面，系統規劃的工作范圍大，工作強度高，并且需要規劃師對周邊情況有清晰、明確的了解與定位[3]。無人機航拍技術則可以將這些情況清晰、準確地表達在三維和二維圖像上，明顯縮短了工作周期和工作量。在新的無人機航測遙感技術體系下，采用高精度定位RTK系統輔助1 ∶500大比例尺成圖，定位精度更高，圖像處理更加容易，成為了園林規劃領域新的技術方法。

1 無人機航攝RTK測圖技術原理

1.1 無人機航攝RTK作業原理

無人機的飛行航線可以根據導航定位系統所得到的信息讓無人機在指定的時間內完成航行任務，而其精準度與所搭載的定位技術直接掛鉤。采用基于RTK(Real-time kinematic)載波相位差分技術的無人機定位系統，可以通過實時獲取導航衛星信號和RTK差分定位信息，通過地面GPS基站來提高衛星信號對大氣層的定位精度，將偏移量控制在厘米級[4]。

無人機航攝RTK技術是指采用內置的小型機載GPS板卡的無人機航攝遙感系統，機載RTK和地面GPS基站以一定采用頻率同時記錄當前的位置，通過差分解算、內插處理等，獲得無人機相機拍攝的每張相片在曝光時刻的精確地理位置坐標，實現為無人機飛行作業提供高精度定位支持，從而獲得的各項航攝指標，如重疊度、旋偏角度等更加符合《低空數字航空攝影規范》要求。具體無人機航攝RTK技術作業見圖1。

1.2 RTK輔助測圖技術原理

高質量的航攝影像及高精度的曝光點坐標是1 ∶500大比例尺測圖的技術前提。傳統的無人機大比例尺測圖技術，由于采用小相幅非量測相機進行拍攝，以致空三解算需要更多控制點來保證精度，大大增加了外業工作量；而采用GPS RTK輔助測圖技術，則利用RTK實時獲取的無人機航攝曝光點坐標，作為輔助數據參加光束法聯合平差處理，以達到利用GPS RTK攝站作為空中控制來取代傳統測圖大量地面控制點的目的，從而使測區所需的地面控制點大大減少[5]。

具體原理如下：

(1)

(2)

式中：[XS,YS,ZS]為實際曝光時刻投影中心坐標；[x,y,-f]為像點在像空間坐標系下的坐標值；[X,Y,Z]為像點在像空間輔助坐標系下的坐標位置；[X,Y,Z]GPS為相機曝光時刻記錄的攝站點GSP坐標位置；[x,y,z]GPS為GPS天線相位中心在像空間坐標系下的坐標值；[aX，aY，aZ]和[bX，bY，bZ]分別為GPS線性偏移系統誤差改正參數中固定部分和隨時間變化部分；t表示該曝光點的曝光時刻，t0為參考時刻。

1.3 地面基站架設要求

大量工程實踐表明，進行諸如1 ∶500的大比例尺測圖，需要在測區范圍內架設地面基站，從而獲得更加穩定的衛星信號、更高精度的航攝定位精度。在架設地面基站時，需要注意以下事項：(1)基站的設置及作業半徑對RTK的測量精度和作業速度有直接影響。基準站應盡量架設在地勢較高的地方，而且要遠離強電磁干擾源和大面積的信號反射物。(2)RTK技術本身是依賴于GPS衛星定位的，它的使用要有4顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，如果所在地本身接受GPS的信號就很差，那RTK也沒有什么作用。另外在有大面積信號反射物的地方是無法定位的，如高層建筑附近、茂密的森林等；強電磁源也會干擾信號，如高壓輸電線附近、變電站等，在云層較厚的時候也有影響。

2 試驗方法與試驗結果

2.1 采用無人機航攝系統

本次項目試驗采用了天狼星無人機RTK航測遙感系統，該系統搭載著拓普康GNSS接收機，采樣頻率高達100 Hz，可實現100 Hz RTK數據更新。經生產實踐，該系統平面精度可達5 cm，高程精度達10 cm，可以滿足1 ∶500～1 ∶2 000測圖要求[6]。具體天狼星無人機RTK航測遙感系統平臺構成見圖2。

2.2 試驗區概況

為了測試該無人機航測遙感系統能否達到園林規劃設計中平面、高程精度，本試驗選取了江蘇農林職業技術學院主校區，范圍約0.4 km2，長800 m，寬500 m，校區以教學樓、操場、空地為主，地形平坦(圖3)，于2017年5月采用天狼星無人機航測遙感系統對試驗區進行了低空航攝數據采集，起飛共1架次。因采用了天狼星無人機RTK航測遙感系統，可以實現少控制測圖，本項目在測區內一個已知點上架設了基站，用于坐標系統轉換，未另測像控點。

2.3 航攝計劃創建與參數設定

考慮到測區地形平坦，實地工作環境溫度最高25 ℃，風力最大4級。根據園林設計1 ∶500地圖需求，同時為保證無人機安全航飛，設定參數為：地面采樣間隔5 cm，飛行航高約200 m，采用MA Vinci Desktop程序下進行航線設計、航飛監控，航飛帶寬為300 m。

航飛拍攝的影像數據見圖4，影像清晰，細節清楚，色彩飽和，影像分辨率達到了5 cm。

2.4 無人機航攝系統測制大比例尺地形圖

待航攝影像飛行完，經地面檢查無質量問題，利用天狼星無人機航測遙感系統配套的AgiSoft PhotoScan Pro程序進行快速空三，直接生產DOM、DEM數據，然后轉到立體測圖工序。區別于傳統的立體測圖技術，此次試驗采用了EPS軟件進行裸視三維立測，便于學院推廣使用。

無人機航攝系統測制大比例尺地形圖工作流程見圖5。

2.5 試驗數據精度分析

本項目實測數據采用GPS RTK方式進行采集，對于 1 ∶500 無人機大比例尺測圖而言，平面精度相對容易達到，而高程按航測規范需達到1 ∶500測圖精度對于一般主流無人機航攝系統高程精度很難保證，因此本次精度分析更加側重在硬化路面、操場等平地的平面高程進行精度驗證，布設了27個外業檢查點和DOM成果數據套合檢查分布見圖6。

此次試驗27個檢查點平面、高程精度較差(表1)。

表1 測區平面、高程精度分析

其中，平面差值最大為0.15 m，平均中誤差為0.05 m；高程差值最大為0.12 m，平均高程中誤差為0.08 m。綜合評價無人機航攝高程精度約為2×GSD，可以實現10 cm的高程精度。

根據CH/Z 3005—2010《低空數字航空攝影規范》[7]對平地地形的1 ∶500測圖產品的精度要求，平面中誤差為 0.3 m，高程中誤差為0.2 m，通過精度統計分析，本次試驗精度完全可滿足我國1 ∶500成圖3D產品要求。具體測圖成果見圖7。

3 結論與展望

從試驗和分析可以看出，采用機上實時RTK輔助測圖可以滿足1 ∶500大比例尺測圖精度要求。采用基于無人機航攝遙感系統平臺的機上實時RTK技術可以實現小范圍的地形測繪，大大減少野外像控點數量，縮短成圖周期，降低作業成本。隨著無人機行業的不斷發展，無人機在農業、航拍、基建、巡檢、警用和消防領域的應用不斷擴展，伴隨著國家空域主管部門對中低空無人機航空試點的逐步放開，小型化的無人機航空攝影測量，采用機上實時RTK技術為無人機提供了新的高精度定位系統，可為園林規劃設計、用圖提供新的技術手段，應用前景廣闊。