無人機(jī)在高山區(qū)免像控三維建模航測方法研究

錢俊錦

（四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

隨著無人機(jī)航測技術(shù)的普及，利用無人機(jī)進(jìn)行航測成圖和三維建模的方法已經(jīng)在數(shù)字城市建設(shè)、工程測量、不動產(chǎn)測繪、水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)以及景點(diǎn)展示等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，從最初的人工飛行發(fā)展到自動飛行，再到厘米級定位、仿地飛行等，每一步的發(fā)展都極大地提高了傳統(tǒng)測繪的效率。隨著無人機(jī)廠商和軟件開發(fā)商不斷地對技術(shù)進(jìn)行更新，利用小型無人機(jī)在復(fù)雜、困難地區(qū)進(jìn)行大比例尺免像控測繪已經(jīng)成為可能，該文對大疆精靈4RTK無人機(jī)在高山區(qū)使用免像控航測的方法進(jìn)行研究。

1 測區(qū)概況

測區(qū)位于西部高原地區(qū)，需要測繪1∶1000三的維模型及地形圖。測區(qū)地形屬于高山區(qū)，面積約1.5 km2，海拔在3 000 m以上，區(qū)域內(nèi)高差達(dá)400 m以上，地勢陡峭；且人員在該區(qū)域內(nèi)有較強(qiáng)的高原反應(yīng)，種種因素給外業(yè)測量帶來了較大的困難。由于地形原因，人員無法按照常規(guī)的航測作業(yè)方法布設(shè)像控點(diǎn)，即像控點(diǎn)無法控制整個測區(qū)，如果強(qiáng)制采用像控點(diǎn)作為約束條件進(jìn)行空三，就可能會造成測區(qū)局部精度不能滿足規(guī)范的結(jié)果；因此，經(jīng)研究后決定該次測繪采用免像控作業(yè)方式，測區(qū)現(xiàn)場地形概況如圖1所示。

圖1 測區(qū)現(xiàn)場地形

2 無人機(jī)航測建模原理

通過無人機(jī)搭載的相機(jī)（可以是單鏡頭，也可以是多鏡頭）對目標(biāo)區(qū)域按照一定的重疊率，從多角度拍攝多張影像，并通過提取影像上的二維特征點(diǎn)，根據(jù)不同影像匹配的同名特征點(diǎn)，用光束法將區(qū)域的網(wǎng)平差生成三維點(diǎn)云。建模軟件把從不同視點(diǎn)拍攝的靜態(tài)物體的數(shù)字影像作為輸入，在幾分鐘/小時(shí)的計(jì)算時(shí)間（取決于輸入數(shù)據(jù)的大小）內(nèi)輸出帶紋理的高分辨率三角形網(wǎng)格，最終形成數(shù)字影像覆蓋區(qū)域的實(shí)景三維模型。

3 作業(yè)流程

經(jīng)過現(xiàn)場勘測，決定采用大疆精靈4RTK進(jìn)行航測作業(yè)，整個作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 航測作業(yè)流程圖

3.1 大疆精靈4RTK無人機(jī)簡介

大疆精靈4RTK無人機(jī)具有快速靈活、對起降場地要求低的特點(diǎn)，但同時(shí)由于航程較短，它也不適合開展大區(qū)域作業(yè)。該無人機(jī)配備了1英寸2 000萬像素的相機(jī)CMOS，搭載了FOV 84 °和8.8 mm/24 mm（35 mm格式等效）鏡頭，其最大飛行高度為500 m，可以通過網(wǎng)絡(luò)RTK（實(shí)時(shí)動態(tài)載波相位差分技術(shù)）或PPK（動態(tài)后處理技術(shù)）的方式實(shí)現(xiàn)厘米級定位，具備跟隨地形進(jìn)行仿地飛行的功能，特別適合在高差較大的地區(qū)開展高精度航測作業(yè)。

3.2 獲取測區(qū)的DEM/DSM

由于測區(qū)高差很大（400 m），在采用定高飛行時(shí)，測區(qū)高程較高區(qū)域的重疊率和較低區(qū)域的分辨率將無法滿足三維建模的要求；因此，為了保證飛行的重疊率和分辨率可以滿足大比例尺地形圖測繪的要求，應(yīng)該采取無人機(jī)跟隨地形進(jìn)行變高飛行的方式進(jìn)行航測，即仿地飛行。為了進(jìn)行仿地飛行，就需要測區(qū)的DEM/DSM（數(shù)字高程模型/數(shù)字表面模型），通常來說，獲取測區(qū)的DEM/DSM有以下2種方法：1） 先對測區(qū)進(jìn)行1次低分辨率飛行，以最快的速度利用航測影像生成測區(qū)的DSM。其優(yōu)點(diǎn)是地形精準(zhǔn)，無人機(jī)飛行時(shí)能夠有效地避開測區(qū)內(nèi)高大的突出物；其缺點(diǎn)是必須先進(jìn)行1次飛行，會影響工作效率。2） 根據(jù)各種公開發(fā)行的DEM數(shù)據(jù)，按照測區(qū)范圍進(jìn)行裁切。其優(yōu)點(diǎn)是不需要先對測區(qū)進(jìn)行飛行，能提高工作效率；其缺點(diǎn)則是DEM數(shù)據(jù)的實(shí)效性不高且無法判別測區(qū)內(nèi)高大的突出物，會影響飛行安全。該航飛測區(qū)位于原始森林中，沒有人為因素改變測區(qū)地形的情況，且無高大突出的建筑物，因此可以采用公開發(fā)行的DEM數(shù)據(jù)。經(jīng)過對比，該次作業(yè)采用ALOS 12.5 m分辨率的DEM作為仿地飛行的DEM。

ALOS是日本宇宙航空研究所（JAXA）的高級陸地觀測衛(wèi)星-1（Advanced Land Observing Satellite-1，ALOS）項(xiàng)目。ALOS-12m地形數(shù)據(jù)來源于ALOS的PALSAR傳感器。2006年～2011年，PALSAR的L波段合成孔徑雷達(dá)（SAR）產(chǎn)生了大量的全天候觀測成果。ALOS PALSAR RTC數(shù)據(jù)集產(chǎn)品自2014年10月開始發(fā)布，一年后完成。項(xiàng)目中包括除南極洲、格陵蘭島、冰島和歐亞大陸北部以外的地球上所有陸地區(qū)域的精細(xì)波束（FBS、FBD）和極化（PLR）數(shù)據(jù)。

獲得DEM數(shù)據(jù)之后，將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入無人機(jī)遙控器中，就可以在遙控器中對仿地飛行的航線進(jìn)行規(guī)劃。

3.3 外業(yè)檢查點(diǎn)布設(shè)

雖然該次航飛采取免像控的方式，但是為了保證檢查成果的精度，還需要在測區(qū)布設(shè)檢查點(diǎn)；共布設(shè)6個平面檢查點(diǎn)和90個高程檢查點(diǎn)。平面檢查點(diǎn)利用了固定地物和提前布設(shè)的對空標(biāo)志，分布于測區(qū)內(nèi)人員可以到達(dá)的區(qū)域和測區(qū)中部區(qū)域，布設(shè)樣式為“L”型[1]，點(diǎn)位間距約600 m[2]。采用對中桿將GPS設(shè)備精確對中之后測量3個測回，每個測回平滑采集30次，測回間GPS設(shè)備斷開重連。高程檢查點(diǎn)則在測區(qū)內(nèi)人員能夠到達(dá)處隨機(jī)采用RTK進(jìn)行測量，每個高程檢查點(diǎn)平滑采集10次，平面檢查點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 平面檢查點(diǎn)分布

3.4 無人機(jī)航飛

大疆精靈4RTK自帶千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，可以在千尋知寸FindCM的覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)厘米級定位，由于測區(qū)位置比較偏遠(yuǎn)，且飛行區(qū)域的地形較為復(fù)雜；因此，為了防止出現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)和遙控器失聯(lián)等因素造成無人機(jī)丟失RTK定位信息的情況，測繪人員在地面架設(shè)了靜態(tài)觀測基站，從而方便進(jìn)行后期PPK解算。架設(shè)靜態(tài)觀測基站之前，首先利用千尋或省級cors（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站）服務(wù)測量靜態(tài)觀測基站點(diǎn)的經(jīng)緯度，然后架設(shè)靜態(tài)基站并按照1 Hz以上的采樣速率進(jìn)行靜態(tài)觀測，需要注意靜態(tài)觀測時(shí)長必須大于飛行時(shí)長，且飛行過程中靜態(tài)觀測不能中斷。根據(jù)地面分辨率和飛行高度，可得表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：H為飛行高度；f為相機(jī)焦距；a為像元大小；GSD為地面分辨率。

計(jì)算結(jié)果要滿足1∶1000建模精度的要求，飛行高度不能高于350 m。由于測區(qū)高差太大，因此從起飛點(diǎn)起飛超過220 m的飛行高度就會超過大疆無人機(jī)500 m飛行高度的限制，為了保證作業(yè)成果的質(zhì)量和飛行安全，最終確定采取相對航高200 m進(jìn)行仿地飛行。

該次無人機(jī)航飛作業(yè)的主要參數(shù)見表1，航線如圖4所示。

表1 航測參數(shù)

圖4 仿地飛行變高航線

3.5 內(nèi)業(yè)處理

該次作業(yè)共拍攝了644張影像，有效覆蓋范圍1.73 km2，測區(qū)被完全覆蓋并有一定的多余影像，有利于提高測繪的質(zhì)量。內(nèi)業(yè)處理時(shí)，根據(jù)靜態(tài)觀測的數(shù)據(jù)，以靜態(tài)觀測基站點(diǎn)的經(jīng)緯度為基準(zhǔn)，對無人機(jī)記錄的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，從而得到厘米級定位的高精度無人機(jī)航拍影像pos（外方位元素中的線元素）數(shù)據(jù)。在得到高精度的pos數(shù)據(jù)之后，利用Photoscan空三結(jié)合ContextCapture完成三維建模。Photoscan是由俄羅斯Agisoft公司開發(fā)的1款軟件，它可以快速自動化處理無人機(jī)的航測影像，具有操作簡便、空三精度高的特點(diǎn)，但其三維建模的效果一般。ContextCapture（原smart3D）則可以根據(jù)航測影像自動化生成具有真實(shí)紋理的實(shí)景三維模型，其生產(chǎn)的三維模型具有效果好、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但其空三處理能力較弱。因此結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)對影像進(jìn)行處理，成果處理的具體作業(yè)流程為：將航拍影像導(dǎo)入Photoscan中，再導(dǎo)入pos數(shù)據(jù)進(jìn)行空三處理；由于pos為厘米級定位，因此在Photoscan中將pos的精度設(shè)置為0.05 m，空三處理完成之后導(dǎo)入平面檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，整個過程中平面檢查點(diǎn)不參與空三運(yùn)算，只對精度進(jìn)行檢查。在Photoscan完成處理之后將空三結(jié)果以Blocks Exchange（*.xml）的格式導(dǎo)出，隨后在ContextCapture中導(dǎo)入該空三成果，導(dǎo)入完成之后就可以開始進(jìn)行三維建模，最終形成的三維模型效果如圖5所示。

圖5 三維模型局部效果

3.6 精度檢查

該航測成果的三維模型平均地面分辨率為6 cm，滿足1∶1000地形圖測繪的要求。航測中，共布設(shè)6個平面檢查點(diǎn)，由于檢查點(diǎn)數(shù)量不足20個，因此根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范的規(guī)定，按照其誤差的算術(shù)平均值計(jì)算檢查點(diǎn)中的誤差。根據(jù)Photoscan的空三報(bào)告得出精度統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 平面檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

在進(jìn)行精度比較時(shí)，將平面檢查點(diǎn)看作地物點(diǎn)。根據(jù)《工程測量規(guī)范》，地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差限差為圖上距離0.8 mm（一般地區(qū)），則1∶1000地形圖的實(shí)際距離限差為80 cm。由精度統(tǒng)計(jì)表可以看出，平面檢查點(diǎn)的中誤差滿足規(guī)范的要求。

航測中共有90個高程檢查點(diǎn)，檢查方法為在ContextCapture中將航測成果按照0.2 m的間距輸出為las點(diǎn)云，再在Microstation軟件中比較las點(diǎn)云和高程檢查點(diǎn)的高程差。由于檢查點(diǎn)數(shù)量大于20個，根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范的規(guī)定，計(jì)算點(diǎn)位中誤差的表達(dá)式如公式（2）所示。

式中：M為中誤差；n為檢查點(diǎn)個數(shù)。

統(tǒng)計(jì)之后得出高程檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)情況，見表3。

表3 高程檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《工程測量規(guī)范》，地形為山地時(shí)，高程檢查點(diǎn)的中誤差限差為等高距的2/3倍，1∶1000地形圖等高距為1 m，則限差為0.67 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，高程檢查點(diǎn)的中誤差為0.11 m，滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

在山區(qū)進(jìn)行地形測繪或無人機(jī)航測時(shí)，地形、測區(qū)環(huán)境等因素會給大比例尺地形圖測繪和高精度航測建模帶來很大的困難，采用免像控的作業(yè)方式，就可以極大地提高工作效率。采用免像控的方式應(yīng)該注意以下4點(diǎn)：1） 由于山區(qū)地勢陡峭，如果采用定高飛行的方式，航測成果的分辨率和重疊度等很難滿足建模的要求，如果不同區(qū)域的影像重疊度差別過大，也會影響空三的精度，因此要在山區(qū)無人機(jī)作業(yè)中實(shí)現(xiàn)免像控，必須采用仿地飛行的方式。2） 利用大疆精靈4RTK進(jìn)行仿地飛行時(shí)，需要注意開啟無人機(jī)的RTK定位功能，如果不開啟，仿地飛行時(shí)將不會按照預(yù)設(shè)的航高進(jìn)行飛行，就可能會導(dǎo)致分辨率不能滿足測量的要求。3） 要確保pos的精度，即使有網(wǎng)絡(luò)RTK信號覆蓋，為了避免中途可能出現(xiàn)的因網(wǎng)絡(luò)或遙控器失聯(lián)等因素造成RTK 信號丟失的情況，也應(yīng)該采取ppk模式對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理。4） 當(dāng)內(nèi)業(yè)空三處理時(shí)，在Photoscan中進(jìn)行空三之前，應(yīng)該將pos的精度設(shè)置為厘米級，如果采用軟件默認(rèn)設(shè)置的精度進(jìn)行空三，成果將無法滿足對精度的要求。