RTK無人機(jī)在潮間帶地形測量中的應(yīng)用

胡 勇，何旭濤，徐 輝，周 冰，王 黎

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.浙江舟山海洋輸電研究院有限公司，浙江 舟山 316000）

潮間帶是指大潮期的最高潮位和大潮期的最低潮位間的海岸，也就是海水漲至最高時所淹沒的地方開始至潮水退到最低時露出水面的范圍。由于潮間帶處于陸地和海洋的銜換處，水深測量和陸地測量均無法完全覆蓋，因此會形成空白地帶[1]。作為海陸交互的區(qū)域，特別是人員無法實(shí)地測量的泥濘地帶和船只無法靠近淺灘，其地形的測量一直是測繪工作者的一大難題。

根據(jù)潮位時間與潮間帶實(shí)際地形情況，通常采用2 種測量方式：直換RTK 上灘測量和水下地形測量。在低潮位時，對于露出水面的高灘，人工上灘測量難度不大時，可利用RTK 技術(shù)直換上灘測量；在高潮位時，潮間帶深水區(qū)域可采用DGPS 結(jié)合單波束回聲測深儀進(jìn)行水下地形測量。

由于漲潮落潮有時間限制，灘涂泥濘人員無法實(shí)地測量，因此需要一種新的測量方法來滿足特殊條件下潮間帶的測圖要求。基于RTK 技術(shù)的無人機(jī)具有免像控、響應(yīng)迅速、機(jī)動性高、使用便捷、能在危險區(qū)域成圖等優(yōu)勢，能夠完全滿足特殊條件下潮間帶地形的測量工作。

1 RTK無人機(jī)免像控技術(shù)原理

RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)是指利用具有RTK 技術(shù)的無人機(jī)進(jìn)行航空攝影，以獲取高精度的POS 數(shù)據(jù)的一種方法。

POS 輔助空中三角測量的主要理論技術(shù)與方法是將相機(jī)曝光瞬間的空間位置和姿態(tài)角組成的POS 數(shù)據(jù)作為附加觀測值引入到區(qū)域網(wǎng)平差模型當(dāng)中，利用空中控制替代地面控制，通過整體平差的方式，利用嚴(yán)密的平差模型和算法，解算出影像6 個外方位元素和地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，最后對其精度進(jìn)行評價[2]。提高曝光瞬間相機(jī)的外方位元素觀測精度不僅可以提高空三成果精度，還可以減少外業(yè)像控點(diǎn)的數(shù)量。一般情況下，實(shí)時差分?jǐn)?shù)據(jù)的固定解精度可達(dá)到cm 級，因而將無人機(jī)航測和實(shí)時差分RTK 技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崟r獲取曝光點(diǎn)的真實(shí)空間位置，使得無人機(jī)航測在大比例尺成圖中，無須地面像控點(diǎn)的情況下也能達(dá)到規(guī)范的精度要求，實(shí)現(xiàn)各種比例尺測圖的內(nèi)外業(yè)完全數(shù)字自動化[3]。

傳統(tǒng)方式下，布設(shè)地面控制點(diǎn)占用大量的人工時間，碰到人員難以進(jìn)入的區(qū)域，很難獲取高精度地圖數(shù)據(jù)。由于潮間帶寬闊的淺灘與淤泥地帶很難進(jìn)行外業(yè)控制點(diǎn)的測量工作，利用RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)可以解決潮間帶地形的測量難題。

2 無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)采集與處理

無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)采集與處理作業(yè)流程主要包括航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和影像處理3 個步驟。具體作業(yè)流程圖如圖1 所示。

圖1 作業(yè)流程圖

在航線設(shè)計(jì)之前首先需要對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，根據(jù)測圖范圍與無人機(jī)信號傳輸范圍選擇合適的無人機(jī)起飛降落場地，并選擇合適的天氣和合適的時間進(jìn)行航飛作業(yè)。然后使用配套飛控軟件進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，根據(jù)測圖任務(wù)要求，在軟件中輸入地面分辨率、航向重疊度、旁向重疊度等參數(shù)，軟件將自動生成航飛路線。無人機(jī)根據(jù)規(guī)劃好的航線進(jìn)行航攝飛行，無人機(jī)起飛后將在自動完成計(jì)劃航線后返航，通過遙控器輔助無人機(jī)著陸。在無人機(jī)著陸后，檢查無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)是否符合要求，如相片是否模糊、曝光是否準(zhǔn)確、相片是否被云層遮擋等。采集數(shù)據(jù)滿足要求后，即完成數(shù)據(jù)采集工作。

影像處理主要對外業(yè)航飛的飛行相關(guān)記錄數(shù)據(jù)和航測影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成數(shù)字高程模型DEM、高密度三維點(diǎn)云和數(shù)字正射影像DOM 等產(chǎn)品，用于數(shù)字地形圖的制作。目前影像處理軟件主要包括Photoscan、Pix4Dmapper 等數(shù)據(jù)后處理軟件，它們能夠方便快捷地完成影像處理工作[4]。

影像數(shù)據(jù)處理流程（如圖2 所示）具體如下：以Photoscan 軟件為例，將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該軟件中，利用SIFT 算子提取每張相片中的特征點(diǎn)并獲取其相對應(yīng)的Descriptor[5]。利用下載的POS 數(shù)據(jù)對像片進(jìn)行對齊，利用RANSAC 算法對粗差進(jìn)行剔除，消除誤匹配。利用GNSS RTK 數(shù)據(jù)圖根點(diǎn)坐標(biāo)，通過共線方程計(jì)算出像點(diǎn)物方空間坐標(biāo)，在逐次平差迭代的過程中，剔除粗差。再經(jīng)過生成密集點(diǎn)云、生成格網(wǎng)、生成紋理等批處理步驟，最后得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM 及正射影像等數(shù)字產(chǎn)品。利用這些數(shù)字化成品，可以使用EPS 或者Virtual Surveyor 等軟件進(jìn)行裸眼立體三維采集，或者使用AutoCAD 描繪的方式將正射影像進(jìn)行數(shù)字化，最終獲得符合規(guī)范要求的數(shù)字線劃圖。

圖2 影像數(shù)據(jù)處理流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

大疆精靈Phantom 4 RTK 是一款小型航測無人機(jī)，內(nèi)置實(shí)時差分RTK 功能，能夠獲取到高精度的POS 數(shù)據(jù)，其水平定位精度為1 cm+1 ppm（RMS）；垂直定位精度為1.5 cm+1 ppm（RMS）。為了研究RTK 無人機(jī)航測用于潮間帶地形測量的精度情況，本文從實(shí)際海底電纜工程項(xiàng)目出發(fā)，以射陽風(fēng)電某潮間帶測區(qū)為例，對大疆精靈Phantom 4 RTK 拍攝的航片進(jìn)行全自動空三加密，生成點(diǎn)云、正射影像圖與數(shù)字表面模型。同時，為了驗(yàn)證無控制點(diǎn)的空三加密成果的點(diǎn)位精度，用無控生產(chǎn)的DLG 與實(shí)地采集的野外檢查點(diǎn)進(jìn)行精度對比分析。

3.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于鹽城市射陽縣黃沙港鎮(zhèn)，測區(qū)面積約1.2 km2。整個測區(qū)位于潮間帶內(nèi)，測區(qū)內(nèi)地勢平緩，蘆葦密布，裸露地區(qū)為淤泥和淺灘（見圖3），測量船與人員均難以到達(dá)。

圖3 測區(qū)概況

3.2 無人機(jī)航空攝影

使用大疆控制器內(nèi)置GS RTK APP 軟件設(shè)定航拍區(qū)域，規(guī)劃飛行路線，設(shè)置航向重疊度為80%，旁向重疊度為65%，地面分辨率4.6 cm，相對航高為150 m。航飛前應(yīng)選好無人機(jī)起落點(diǎn)位置，一般選在測區(qū)中間位置，離最遠(yuǎn)距離不超過2 km，起落點(diǎn)要求地勢平坦無危險障礙物。航飛時應(yīng)選擇合適時間窗口，應(yīng)選在潮落時間前后，此時潮間帶淺灘部分完全露出。航飛前應(yīng)注意風(fēng)速對航飛的影響，通常選擇風(fēng)速應(yīng)不大于4 級。航飛時使用GS RTK APP 軟件實(shí)時監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)，例如電池電量、空中風(fēng)速、GNSS 狀態(tài)、傳輸信號質(zhì)量以及無人機(jī)的實(shí)時飛行姿態(tài)等。此次航飛共拍攝照片429 張（見圖4），實(shí)際航向重疊度為80.1%，航線間重疊度為65.2%。

大疆精靈Phantom 4 RTK 提供自架基站RTK 與網(wǎng)絡(luò)RTK 兩種模式，本工程使用千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 為無人機(jī)提供實(shí)時RTK 數(shù)據(jù)。千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 所提供平面坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)，高程為大地高。使用Pix4Dmapper 軟件進(jìn)行處理時，如果需要變換成其他坐標(biāo)系，需要求解兩個坐標(biāo)系之間的7 參數(shù)，將轉(zhuǎn)換后的POS 文件重新導(dǎo)入。

圖4 航拍照片縮圖

3.3 影像處理

本工程使用Pix4Dmapper 作為影像處理軟件，它是一款集全自動、快速、專業(yè)精度為一體的無人機(jī)航空像片處理軟件，在導(dǎo)入航片和經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理的高精度POS 數(shù)據(jù)后，本地處理中勾選全面高精度處理，并選擇導(dǎo)出未畸變圖像選項(xiàng)，點(diǎn)擊開始就進(jìn)入全自動運(yùn)行模式。運(yùn)行完成后軟件彈出質(zhì)量報告。質(zhì)量報告主要檢查區(qū)域網(wǎng)空三誤差（見圖5）、相機(jī)參數(shù)優(yōu)化質(zhì)量等誤差報告。最后得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DOM 及正射影像等數(shù)字產(chǎn)品（見圖6）。

圖5 相對定位精度情況

圖6 正射影像圖與數(shù)字表面模型（DSM）

3.4 野外實(shí)地測量

利用測區(qū)控制點(diǎn)使用RTK 方式對裸露的淺灘進(jìn)行野外實(shí)地測量，共計(jì)獲取了10 個平面點(diǎn)和33 個高程點(diǎn)作為檢查對照點(diǎn)。

3.5 精度分析

大疆精靈Phantom 4 RTK 測量成果與人工實(shí)測數(shù)據(jù)對比成果如表1 所示。

通過表1 可以得出，兩種方案所測得的檢查點(diǎn)平面位置中誤差和高程中誤差均優(yōu)于《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T7930—2008）的精度要求，即1∶500～1∶2 000 地形圖平面位置中誤差在平地、丘陵地不大于圖上0.6 mm；高程注記點(diǎn)中誤差在平地丘陵地不大于0.2 m，并且所有檢測點(diǎn)的誤差值均小于兩倍中誤差[6]。通過工程實(shí)踐表明，RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)不僅完全滿足1∶500 大比例尺測圖的要求，并且具有操作簡單、可行性強(qiáng)及經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。

4 結(jié) 語

通過本次潮間帶地形圖工程項(xiàng)目的實(shí)施，驗(yàn)證了RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)能夠獲取高精度的 POS 數(shù)據(jù)，在無控制點(diǎn)的條件下可用于測繪1∶500 大比例尺地形圖[7]。使用RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)進(jìn)行測量，其優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在：

表1 無人機(jī)成果與人工實(shí)測成果對比表

1）測區(qū)適應(yīng)能力強(qiáng)。對于人員、船只難以到達(dá)的潮間帶區(qū)域，采用RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)測量可以不受限制。

2）測量精度高。理論和實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果都表明，采用RTK 無人機(jī)免像控技術(shù)測量在無控制點(diǎn)的條件下完全滿足測繪1∶500 大比例尺地形圖的要求。

3）作業(yè)速度快，效率高，具有較高經(jīng)濟(jì)效益。為獲取高精度測量成果，無人機(jī)在作業(yè)時應(yīng)注意：1）需了解測區(qū)漲潮退潮時間，在測量窗口時間開始前做好無人機(jī)外業(yè)航飛準(zhǔn)備。

2）大風(fēng)、下雨、多云等天氣情況會制約無人機(jī)外業(yè)工作，對于小型無人機(jī)應(yīng)選擇在風(fēng)力較小時進(jìn)行航飛作業(yè)。

3）由于無人機(jī)信號傳輸距離的限制，需對測區(qū)航線進(jìn)行合理規(guī)劃，選擇合適的起降點(diǎn)。

4）無人機(jī)測圖能夠保證很高的平面精度，但有時候高程精度相對較低，在實(shí)際作業(yè)時需使用全站儀、GNSS-RTK 等方式進(jìn)行外業(yè)檢測點(diǎn)實(shí)測，評定航飛作業(yè)精度。

5）影像處理需較高軟硬件配置，后處理時間較長，影像處理算法和軟件還有進(jìn)一步提升的空間。