免像控?zé)o人機(jī)在工程收方中的應(yīng)用

任 斌，高利敏

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院航測(cè)分院，山西 晉中 030620)

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量近年來(lái)得到了測(cè)繪行業(yè)的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，但傳統(tǒng)航測(cè)作業(yè)依然存在著很多不完善之處，如飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、相機(jī)相幅小、影像畸變差大、重疊度不規(guī)則等。如果按照傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量影像處理，不僅需要布設(shè)較多的像控點(diǎn)，還會(huì)成倍增加像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)的野外測(cè)量工作量。本文采用的天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)，通過(guò)其內(nèi)置的100 Hz實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分RTK技術(shù)可獲取高密度、高精度的像片位置信息，這種精密定位技術(shù)使得像片位置信息可以實(shí)現(xiàn)和地面控制點(diǎn)同樣的功能。通過(guò)天狼星無(wú)人機(jī)獲取的像片，經(jīng)過(guò)Agisoft PhotoScan處理軟件，能實(shí)現(xiàn)每小時(shí)800張低空影像的匹配速度。系統(tǒng)自帶平差系統(tǒng)，無(wú)需借助第三方軟件，可自動(dòng)智能化后處理，一步直接導(dǎo)出DOM、DEM和點(diǎn)云等成果數(shù)據(jù)?？稍谔摂M測(cè)量軟件下直接做裸眼3D采集，無(wú)需傳統(tǒng)立測(cè)的3D眼鏡、手輪、腳盤(pán)。無(wú)需布設(shè)像控點(diǎn)采集和刺點(diǎn)工作，大大減少了外業(yè)測(cè)量和測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)周期[1]。

1 天狼星免像控航攝系統(tǒng)

1.1 內(nèi)置高頻RTK接收模塊

天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng),配備了100 Hz的拓普康GNSS接收機(jī)，通過(guò)高精度GNSS RTK技術(shù)和精密定時(shí)技術(shù)來(lái)確定每張相片像主點(diǎn)的精確位置，無(wú)需布設(shè)地面控制點(diǎn)，降低了危險(xiǎn)區(qū)域外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)的難度與危險(xiǎn)度，大大降低了外業(yè)成本。同時(shí)，天狼星航測(cè)系統(tǒng)結(jié)合RTK技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平面精度1.6 cm，高程精度2.7 cm，完全達(dá)到了1∶500的地形圖測(cè)圖精度。

1.2 多模式飛行計(jì)劃

相比于傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，天狼星航測(cè)系統(tǒng)配備高集成化的飛行計(jì)劃控制軟件MAVinci Desktop。用戶(hù)可根據(jù)項(xiàng)目測(cè)區(qū)范圍繪制采集區(qū)域，只需要設(shè)置地面采樣距離，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行計(jì)劃設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以按時(shí)間和面積將作業(yè)區(qū)劃分為多個(gè)測(cè)區(qū)，避免了由于電池導(dǎo)致無(wú)法完整作業(yè)等問(wèn)題。根據(jù)項(xiàng)目測(cè)區(qū)的形狀，飛行計(jì)劃可分為多邊形模式、帶狀模式、螺旋狀模式及井子形模式，最大限度地提高作業(yè)效率?？紤]項(xiàng)目測(cè)區(qū)地形起伏較大，飛機(jī)可根據(jù)地形起伏自動(dòng)修改實(shí)際飛行高度，保證每張影像具有相同的景深，避免由于高障礙物導(dǎo)致的碰撞危險(xiǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)采集

天狼星無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，控制器軟件可以確保無(wú)人機(jī)自主跟蹤起飛前所制訂的飛行軌跡；數(shù)據(jù)采集瞬時(shí)記錄每張相片的位置和姿態(tài)。通過(guò)整合精密測(cè)時(shí)和高精度定位技術(shù)，機(jī)載相機(jī)自動(dòng)獲取影像并存儲(chǔ)于無(wú)人機(jī)中，使得天狼星在空中即可完成傳統(tǒng)的地面控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用基于多視圖三維重建技術(shù)的Agisoft PhotoScan數(shù)據(jù)處理軟件，將無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)和高精度POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工作區(qū)中，設(shè)置坐標(biāo)系、投影方法及處理精度，自動(dòng)解算每張影像的空間坐標(biāo)和姿態(tài)，提取具有坐標(biāo)信息的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出產(chǎn)品的格式、種類(lèi)，自動(dòng)生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型和密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高內(nèi)業(yè)處理效率[2-5]。

2 無(wú)人機(jī)地形圖測(cè)量案例

2.1 確定作業(yè)區(qū)域

本案例利用拓普康Sirius PRO無(wú)人機(jī)(中文名稱(chēng)天狼星)，對(duì)山西某煤礦進(jìn)行2018年3月1日至2018年4月1日期間工程方量驗(yàn)收。測(cè)區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°22′-112°20′，北緯39°01′-39°04′，面積共計(jì)0.35 km2。如圖1所示，測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏較大，坡度陡峻，最高海拔2098 m，最低海拔1720 m，屬于典型山地地貌。

圖1 山西某露天煤礦

2.2 規(guī)劃飛行航線

無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的主要目標(biāo)是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境條件信息，綜合考慮無(wú)人機(jī)的性能、到達(dá)時(shí)間、耗能及飛行區(qū)域等約束條件，為無(wú)人機(jī)規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或次優(yōu)航跡，保證無(wú)人機(jī)高效、快速地完成飛行任務(wù)。如圖2所示，本區(qū)域飛行航線共15條，地面采樣間距3 cm，航線內(nèi)線性漸變飛行高度117 m，航向重疊度85%，旁向重疊度80%，照片數(shù)量160張。為檢核航飛成果精度，在本次飛行區(qū)域四周和中間共布設(shè)5個(gè)檢核點(diǎn)(梅花形布置)，并采用1980西安坐標(biāo)系和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，供后期數(shù)據(jù)處理飛行精度檢查[6]。

圖2 利用MAVinci Desktop軟件進(jìn)行飛行航線規(guī)劃

2.3 航空攝影測(cè)量

選擇天氣良好、風(fēng)力微弱的天氣執(zhí)行飛行航測(cè)任務(wù)。在航測(cè)過(guò)程中全程監(jiān)控?zé)o人機(jī)平臺(tái)的飛行軌跡、GPS信號(hào)強(qiáng)度、電量、高度、速度、姿態(tài)及其他參數(shù)，以保證飛行的安全及數(shù)據(jù)的可靠性。外業(yè)采集完成后，第一時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份和內(nèi)業(yè)處理。

3 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

使用MAVinci Desktop進(jìn)行像片匹配，并通過(guò)軟件接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Agisoft Photoscan中進(jìn)行一鍵處理。Photoscan軟件用SIFT算子提取每張相片中的特征點(diǎn)并獲取其相對(duì)應(yīng)的Descriptor。使用下載的POS數(shù)據(jù)對(duì)像片進(jìn)行對(duì)齊，用RANSAC算法對(duì)粗差進(jìn)行剔除，消除誤匹配。使用GNSS RTK數(shù)據(jù)圖根點(diǎn)坐標(biāo)，逐次平差迭代，剔除粗差，最后經(jīng)過(guò)生成密集點(diǎn)云、格網(wǎng)、紋理等，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM及DEM成果，如表1，圖3—圖7所示。利用這些數(shù)字化成品，可以使用Virtual Surveyor或D2D等軟件進(jìn)行虛擬測(cè)圖，或使用AutoCAD描繪的方式將正射影像數(shù)字化，最終獲得符合規(guī)范要求的數(shù)字線劃圖[7]。

檢核數(shù)據(jù)表明天狼星無(wú)人機(jī)測(cè)繪1∶500比例尺數(shù)字線劃圖(B類(lèi))，完全能夠滿足《低空數(shù)字航空攝影內(nèi)業(yè)規(guī)范》(CH/Z 3003—2010)內(nèi)業(yè)平地規(guī)范要求[8]。

表1 地面控制點(diǎn)坐標(biāo)誤差分析

圖3 2018年3月1日煤礦現(xiàn)狀DOM和DEM成果

圖4 2018年4月1日煤礦現(xiàn)狀DOM和DEM成果

利用Virtual Surveyor軟件，以及DEM和DOM文件對(duì)航測(cè)區(qū)域建立三維模型。

圈定收方區(qū)域提取高程點(diǎn)(間距為2 m)和特征點(diǎn)并導(dǎo)出。

將兩次測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CASS坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件格式。

圖5 Virtual Surveyor軟件建立三維模型界面

圖6 Virtual Surveyor圈定兩次飛行區(qū)域

圖7 Virtual Surveyor提取高程點(diǎn)

在CASS 10.0中用閉合的復(fù)合線圈定所要計(jì)算土方的區(qū)域，與第一期(3月1日)、二期(4月1日)三角網(wǎng)的區(qū)域邊界必須一致，然后用鼠標(biāo)操作“工程應(yīng)用方格網(wǎng)法土方計(jì)算”，在彈出的方格網(wǎng)土方計(jì)算對(duì)話框中，首先是導(dǎo)入“高程點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件”，必須選擇生成第一期(3月1日)三角網(wǎng)的地面點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，即原始地形數(shù)據(jù)。然后在“設(shè)計(jì)面”欄中，點(diǎn)選“三角網(wǎng)文件”。在導(dǎo)入三角網(wǎng)文件時(shí)，一定要選擇以第二期(4月1日)的地面點(diǎn)高程數(shù)據(jù)所構(gòu)成的三角網(wǎng)，即由設(shè)計(jì)面數(shù)據(jù)生成的三角網(wǎng)。最后填寫(xiě)方格網(wǎng)的寬度(系統(tǒng)默認(rèn)的是20 m)，點(diǎn)擊“確定”即計(jì)算出該區(qū)域土方量[9]。本區(qū)域2018年3月1日至2018年4月1日共計(jì)挖方量170萬(wàn)m3，填方量50萬(wàn)m3，如圖8、圖9所示。

圖8 CASS方格網(wǎng)土方計(jì)算對(duì)話框

圖9 CASS方格網(wǎng)土方計(jì)算成果

4 結(jié) 語(yǔ)

本次案例展示出天狼星在復(fù)雜地形條件測(cè)繪大比例尺地形圖的優(yōu)勢(shì)，天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)解決方案可作為中高空航攝的有效補(bǔ)充，在工程測(cè)量領(lǐng)域完成高精度地形圖測(cè)制工作。天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)配備的高集成化的軟件處理程序?qū)崿F(xiàn)了地形圖作業(yè)流程化、模塊化，大大節(jié)省了外業(yè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)采集工作量，縮短了工期，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可以完成專(zhuān)業(yè)人員的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。在人員無(wú)法到達(dá)或難以測(cè)繪的復(fù)雜地形區(qū)域，高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高精度數(shù)字高程模型為土石方測(cè)算等提供了更加精細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)量手段。