免像控無人機航測技術在風電場測圖中的應用

李雯峰

(新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院，新疆 烏魯木齊 830001)

無人機航空攝影測量憑借機動性好、成本低、效率高等優(yōu)勢，廣泛應用于重大項目建設、城市規(guī)劃管理、政府決策等領域[1]。隨著國家低空空域的有序開放，衛(wèi)星導航定位實時差分定位技術（RTK）[2]、載波相位事后差分定位技術（PPK）[3]與無人機航測系統(tǒng)相結合，智能化、精巧型的衛(wèi)星導航定位裝備在消費級無人機上得到應用[4]，利用消費級無人機進行航空攝影測量降低了航測工作的復雜度，提高了航測精度和質量[5]。

大疆精靈4RTK 是一款經(jīng)濟實用型小型多旋翼高精度航測無人機，具備厘米級導航定位系統(tǒng)[6]。本文以消費級無人機的經(jīng)典代表大疆精靈4RTK 無人機為前端航拍裝備，以Agisoft PhotoScan 為數(shù)據(jù)后處理軟件系統(tǒng)，應用于某風電場測圖工程，并通過實踐驗證技術方案的可靠性。

1 大疆精靈4RTK 航測系統(tǒng)

大疆精靈4RTK 航測系統(tǒng)是深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司推出并不斷更新優(yōu)化的消費級無人機航測系統(tǒng)[7]，在硬件裝備方面具備以下優(yōu)勢。

（1）高精度定位系統(tǒng)：集成全新RTK 模塊，提供實時厘米級定位數(shù)據(jù)，顯著提升圖像元數(shù)據(jù)的絕對精度。RTK 模塊下備有高靈敏度GNSS 系統(tǒng)，保障在弱信號環(huán)境下仍能穩(wěn)定飛行，兩種模塊相互配合，可為復雜的測量及巡檢任務提供高精度數(shù)據(jù)。

（2）高精度傳感器：采用1 英寸2000 萬像素CMOS 傳感器捕捉高清影像，機械快門支持高速飛行拍攝，消除果凍效應，避免降低建圖精度。每個相機鏡頭都經(jīng)過嚴格工藝校正，可確保高精度成像。畸變數(shù)據(jù)存儲于每張照片的元數(shù)據(jù)中，方便用戶使用后期處理軟件進行針對性調整。

2 免像控無人機航測數(shù)據(jù)處理關鍵技術

免像控無人機航測數(shù)據(jù)處理關鍵技術包括相機的棋盤格標定、相機畸變的精密改正、POS 數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)轉換和POS 數(shù)據(jù)的分權重輔助空中三角測量。

2.1 非量測相機的先驗檢校

無人機攝影測量使用的傳感器普遍是非量測型數(shù)碼相機。非量測型數(shù)碼相機攝影物鏡存在光學畸變、機械畸變和電學畸變，其中，光學畸變會使物點、像點和投影中心點不共線，影像的形狀發(fā)生變形，同名光線不再相交，攝影影像精度降低[8]。在獲取影像前，要對非量測數(shù)碼相機進行檢校，提高影像的內約束精度。本文采用棋盤格檢校模塊進行先驗檢校，檢校模型采用經(jīng)典的Australis 模型。

2.2 非量測相機的精密畸變改正

利用相機畸變參數(shù)對檢校有效像幅內的所有像素進行訓練回歸計算通用畸變模型[9]，依據(jù)模型將原始影像的像素逐行逐列精確回放到新的行列位置（影像重采樣內插方法采用雙三次卷積法），實現(xiàn)相機的精密畸變改正。

2.3 POS 數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)轉換

無人機獲取的影像數(shù)據(jù)的曝光點原始坐標為WGS84橢球下的地理坐標經(jīng)緯度和大地高。測區(qū)的坐標系統(tǒng)為2000 國家大地坐標系和1985 高程基準或自定義投影坐標，需要進行坐標系統(tǒng)轉換。坐標系統(tǒng)轉換一般采用布爾莎七參數(shù)模型，布爾莎七參數(shù)可以通過獲取至少3 個已知點的兩套坐標進行自行解算，如公式（1）。

公式（1）中，

ΔX0、 ΔY0、 ΔZ0為參心平移參數(shù)；m 為尺度比；?X、?Y、?Z為坐標旋轉參數(shù)。

當測區(qū)范圍較小時，高程轉換可通過七參數(shù)三維轉換進行；當測區(qū)較大時，可通過七參數(shù)二維平面轉換后利用geoid 數(shù)據(jù)內插得到。

2.4 POS 分權重輔助空中三角測量

大疆獲取的影像數(shù)據(jù)在其元數(shù)據(jù)中通過RTK 標識字段RtkFag 記錄了拍攝時RTK 的工作狀態(tài)，通過自動識別每張影像的RtkFag 字段屬性，確定GPS 定位的中誤差，在POS 輔助空中三角測量迭代中動態(tài)配置GPS輔助觀測值的權重，實現(xiàn)POS輔助無地面控制絕對定向。RtkFag 字段屬性、RTK 工作狀態(tài)和GPS 中誤差對應關系如表1 所示。

表1 RtkFag字段屬性、RTK工作狀態(tài)和GPS中誤差對應關系

3 工程案例

3.1 測區(qū)概況

測區(qū)為高差范圍137 ～394 米、平均高程258 米的復雜山地地形，總面積約0.765km2，平面坐標系統(tǒng)為CGCS2000，中央子午線為114，高斯克呂格投影，高程系統(tǒng)采用1985 高程系統(tǒng)。成圖比例尺為1∶1000，基本等高距為1 米，高程注記到小數(shù)點后2 位。航飛設計GSD 優(yōu)于0.05 米。

3.2 航測流程

無人機航空攝影測量流程主要包括非量測相機的先驗檢校、相機精密畸變改正、影像數(shù)據(jù)獲取、POS 數(shù)據(jù)的自動提取和坐標轉換，以及測圖成果制作。具體技術流程如圖1 所示。

3.2.1 非量測相機的先驗檢校

在地面控制大疆精靈4RTK 相機，在關閉相機畸變的情況下，從不同角度和距離拍攝預制的棋盤格靶標，進行檢校樣本采集，采集時保持棋盤靶標區(qū)充滿畫面的各個區(qū)域，采集樣本的數(shù)目最少為5 張。

利用自主開發(fā)的棋盤格檢校模塊（如圖2 所示），自動交互式提取樣本影像中棋盤格角點坐標，進行標定計算，輸出Australis 模型相機畸變參數(shù)（如表2 所示）。像元大小12u，影像寬高為5472 × 3 678。

圖1 技術流程

表2 棋盤格檢校后相機畸變參數(shù)（Australis模型）

圖2 棋盤格檢校軟件的主界面

3.2.2 相機精密畸變改正

利用Australis 模型相機畸變參數(shù)在原始畸變影像矩陣和無畸變影像矩陣之間建立畸變映射模板，畸變映射模板詳細記錄了去畸變影像任意某行某列的像素由原始有畸變影像哪一行哪一列的像素而來，以及此像素是否檢校有效（如圖3 所示），再通過映射模板影像進行精密畸變改正（如圖4 所示）。本項目的原始影像和畸變改正后影像對比如圖5 所示。

3.2.3 影像數(shù)據(jù)獲取

使用大疆精靈4RTK 航測系統(tǒng)專業(yè)航線規(guī)劃軟件設定航拍區(qū)域，規(guī)劃飛行路線，設置航向與旁向重疊度均為80%，地面分辨率5cm。應用大疆精靈4RTK 軟件實時監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)，如電池電量、空中風速、GNSS狀態(tài)、傳輸信號以及飛行姿態(tài)等。獲取的原始影像如圖6 所示。

圖3 相機畸變映射模板

圖4 精密畸變改正報告

圖5 原始影像（左）和畸變改正后影像（右）對比

圖6 獲取的原始影像

3.2.4 POS 數(shù)據(jù)的自動提取和坐標轉換

利用開發(fā)的JPG2POS 功能自動批量提取每張影像的曝光點GPS 測量位置數(shù)據(jù)，并自動識別RTK 定位狀態(tài)，如表3 所示。將原始WGS84 經(jīng)緯度和大地高坐標，轉換為CGCS2000 坐標系，中央子午線經(jīng)度為114°的高斯投影平面坐標和1985 高程。坐標轉換后的POS 數(shù)據(jù)如表4 所示。

表3 JPG2POS提取的原始POS數(shù)據(jù)

表4 坐標轉換后的POS數(shù)據(jù)

3.2.5 測圖成果制作

將經(jīng)過精密改正相機畸變的影像數(shù)據(jù)進行坐標轉換，POS數(shù)據(jù)引入PhotoScan軟件，設置相機參數(shù)并鎖定，依次對齊像片，匹配密集點云，構建格網(wǎng)模型，創(chuàng)建鑲嵌真正射影像，并輸出密集點云和TDOM。在PhotoScan下工程效果如圖7 所示。

圖7 PhotoScan工程三維效果

將密集點云引入Terrasolid軟件進行精細分類（如圖8 所示），得到地面點云并制作DEM 數(shù)據(jù)和等高線、高程注記和其他地貌要素。

圖8 Terrasolid下點云分類（左為全部點云，右為地面點云）

在TDOM 上矢量化采集地物要素，配置成完整的全要素外業(yè)調繪底圖，最后外業(yè)調繪編輯成圖。TDOM 和DEM 成果如圖9 所示。

圖9 TDOM和DEM成果（左為TDOM，右為DEM）

3.3 精度評價

為驗證大疆精靈4RTK 無人機航測系統(tǒng)在大比例尺測圖中的可行性，在測區(qū)均勻選取30 個有明顯特征的地面檢核點，采用GNSS RTK 采集坐標，然后與影像上對應點的量測坐標進行對比，計算x、y、z 方向的差值，并根據(jù)中誤差公式求得平面中誤差和高程中誤差。其中，同名點的平面坐標通過DOM 數(shù)據(jù)直接量測，高程通過DOM 套合DEM 生成數(shù)字表面模型DSM，在DSM 上量測同名點的高程值，如表5 所示,精度統(tǒng)計如表6 所示。

表5 坐標檢核統(tǒng)計表

表6 精度統(tǒng)計表

根據(jù)規(guī)范《基礎地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000 數(shù)字線劃圖》，平地、丘陵地區(qū)，1∶500 比例尺數(shù)字正射影像圖明顯地物點的平面位置中誤差不大于0.3m，數(shù)字高程模型檢核點的中誤差不應大于0.2m，平面和高程精度都達到規(guī)范要求。

4 結束語

本文通過實例表明，利用大疆精靈4RTK 無人機航測系統(tǒng)進行小范圍免像控場地測圖，與傳統(tǒng)方法相比，提高了工作效率和測圖精度。本文所選測區(qū)地形起伏大，但面積較小，下一步將利用免像控無人機航測技術選擇更大范圍進行航測試驗，以提高方案的普適性，為更大廣度和深度的普及與應用提供借鑒。