基于大疆精靈4 RTK的快速測繪方法研究

秦家鑫，鄧明軍

（1.天津市測繪院有限公司，天津 300381；2.湘潭大學 自動化與電子信息學院，湖南 湘潭 411105）

2020年春節后新冠肺炎疫情形勢仍然嚴峻，部分企業大門緊閉，仍未復工復產，一些鄉村、小區延續著交通管制、隔離管理的控制措施。在這種情況下，測量人員像往常一樣進入現場進行實地測量就會遇到一定的阻礙，但一些關系到民生發展的測繪生產項目必須穩步推進。一方面是嚴格的管控措施，另一方面是需要按時完成的測繪生產任務，如何能在減少人員接觸、減少實地測量的情況下，快速精確地完成測繪成果，成為測繪人員所面臨的難題[1]。鑒于此，結合消費級無人機航空攝影測量的工作特點，本文提出了多內業、少外業的技術路線，單人即可完成整個流程。該方法有效減少了人與人的密切接觸，且不受地域封閉的限制，已在地形圖測繪[2]、規劃竣工測量[3]、地籍測量[4]、三維建模[5]、土方量計算[6]等基礎測繪中得到有效應用。

1 基礎測繪產品現有生產技術手段

基礎測繪產品以4D產品（DEM、DOM、DLG、DRG）為基礎，應用于各種測繪任務工作中?，F階段，我國城市基礎測繪的工作手段大多依托3S技術，首先利用全站儀、GPS接收機、水準儀、測距儀、探測儀等測繪儀器完成外業測量，然后根據外業測量數據，在計算機上利用相關成圖軟件進行編輯處理，最后生成測繪成果[7]。該方法的作業時間更多地集中在外業實地測量上，以3～5人小組的形式協同完成測量。然而，在疫情形勢嚴峻的情況下，無法避免人與人的密切接觸，當遇到測區實施隔離管控時，測量工作只能中斷。

2 基于大疆精靈4 RTK的基礎測繪方法

2.1 大疆精靈4 RTK的技術優勢

大疆精靈4 RTK是一款消費級多旋翼高精度航測無人機。其優勢主要為：①搭載多頻多系統RTK模塊，相機與RTK模塊μs級時間同步，提供實時cm級定位數據，無需布設像控點；②在100 m飛行高度下的地面采樣距離可達2.74 cm，以確保高精度成像，畸變數據存儲于每張相片的元數據中，方便后期處理；③內置航線規劃功能，簡化了飛行過程中的操作，實現了自主飛行，對飛手的要求很低；④小巧輕便、易于攜帶，單人即可完成全部外業飛行任務?？傊?，經過短期培訓，一名 普通的外業測繪人員即可獨立完成無人機的飛行任務。

2.2 技術路線

目前，市面上的無人機影像后處理軟件各種各樣，技術也相對成熟。本文選用的影像后處理軟件為Pix4Dmapper和Context Capture。這兩款軟件自動化程度高、操作簡便、處理效果佳。利用大疆精靈4 RTK進行基礎測繪的技術路線如圖1所示，首先根據項目需要，對測區進行垂直攝影或傾斜攝影測量；再采用Pix4Dmapper處理垂直攝影相片，得到DSM、DOM、點云數據；然后采用Context Capture處理傾斜攝影相片，得到三維模型；最后基于三維模型和DOM，通過立體測圖的方法，利用清華山維EPS軟件完成DLG的生產[8-13]。除此之外，DSM和點云數據還可用于土方量的計算；DOM可為質檢提供依據；在修補測過往地形圖時，將地形圖與DOM疊加，可直觀獲取需要修補測的區域等。

圖1 技術路線圖

2.3 影像獲取

在測區內或測區外不遠處選擇一個視野開闊、無強磁強電、無信號干擾的位置作為起降點；一般在遠離車流人群、RTK可獲得固定解的平坦位置即可。大疆提供了攝影測量2D、攝影測量3D（井字飛行）、攝影測量3D（五向飛向）、航點飛行、航帶飛行和仿地飛行6種航線規劃方式。根據需要制定飛行計劃，通過垂直攝影測量生產DSM、DOM、點云數據時，選擇攝影測量2D方式；通過傾斜攝影測量生產三維模型時，選擇攝影測量3D（井字飛行或五向飛行）方式，其中井字飛行適用于大區域、高航高、低分辨率的任務，五向飛行適用于小區域、低航高、高分辨率的任務。設置完成飛行區域、飛行高度、飛行速度、重疊度、拍攝傾角等信息后，即可完成自動起飛、自動拍攝、自動返航降落。

2.4 影像處理

Pix4Dmapper處理大疆精靈4 RTK拍攝的垂直攝影相片時，由于每張相片中記錄著準確的POS數據，無需再進行控制點的人工刺點，因此基本可實現一鍵 生成DSM、DOM、點云數據。人工參與的部分只有坐標系設置，飛行過程中RTK獲取的POS數據為BLH格式，需將BLH轉換成目標坐標系的XYZ。若目標坐標系為CGCS2000，則無需手動轉換，其轉換參數對應的EPSG編號為4548，Pix4Dmapper可查找EPSG的參數并直接轉換，實現一鍵生成；若目標坐標系為1980西安坐標系或地方坐標系，則需先手動將每張相片的BLH轉換為目標坐標系的XYZ，再進行后續的影像處理。此外，首次使用某架無人機時，需通過讀取任意一張相片的參數信息，計算得到相機出廠時的中心點、焦距、徑向畸變、切向畸變等相機參數，并保存到常用相機型號庫中，以后可直接調用。然而，這個相機參數并不是嚴格準確的，是為影像處理提供的初始計算參數，在Pix4Dmapper計算過程中，相機參數會迭代計算出最終準確的數值，并在質量報告中呈現。最后，根據需求選擇合適的處理選項模板，Pix4Dmapper會自動完成空三加密，生成DSM、DOM、點云數據。

Context Capture進行三維重建主要分為空三加密解算和模型重建兩步。在處理大疆精靈4 RTK拍攝的傾斜攝影相片時，需要手動處理的部分與Pix4Dmapper類似，也是坐標系的設置。在得到空三加密解算成果后，若有明顯傾斜的相片，則需手動刪除，再進行后續的模型重建。需要注意的是，Context Capture提供了多種數據格式的三維模型輸出，可根據后續處理軟件選擇合適的輸出格式，如后續操作是清華山維EPS軟件立體測圖，則需輸出OSGB格式的三維模型。

2.5 DLG制作

城市基礎測繪工作中占比最大的就是地形圖測繪，清華山維EPS可通過立體測圖的方式完成DLG的制作，但其操作命令與常用的CAD有很大的不同，若使用清華山維EPS完成所有要素的繪制，則需內業人員經過一段時間的培訓與實踐。針對這種情況，可先將DOM插入到CAD中，在CAD上完成道路、植被、水系、地貌土質等平面要素的繪制，因為這些要素在平面上一點的高度差很小無需立體測圖；再使用清華山維EPS完成建筑物部分的繪制。

對建筑物進行立體測圖時，將Pix4Dmapper處理得到的DOM和Context Capture處理得到的三維模型加載到清華山維EPS中，實現二三維的聯動，如圖2所示。在三維模型中采用五點法繪制建筑物，首先在建筑物的某面上任選兩點確定建筑物一側的方向邊，然后在其余各面上任選一點，確定其他面的方向邊，從而完成整幢建筑物的繪制。選點時應盡量選取清晰度高、平整度高的位置。右側窗口每幢建筑物輪廓線繪制完成后將實時顯示到左側窗口中，實現邊繪制邊檢查。

圖2 清華山維EPS立體測圖界面

3 工程實例

本文方法已應用于天津市西青區中北鎮某工業園區的地形圖測繪工程中，疫情期間園區內多處工廠處于停工停產狀態，大門緊閉，無法進入，傳統測繪方法很難完成此次測繪任務。

整個測區地勢平緩，東西長約為400 m，南北長約為600 m，近似矩形，面積約為0.25 km2。測區內最高建筑為一個通信塔，高度約為50 m，因此選取測區中間道路一空曠處作為無人機的起落地點。根據測區情況和測量任務，對飛行任務進行合理規劃：垂直攝影測量時，設置航向重疊度為80%、旁向重疊度為70%、航高為100 m；傾斜攝影測量時，由于測繪成果無需精細三維模型，只需利用三維模型進行立體測圖，因此采用井字飛行生成低分辨率三維模型即可，設置攝影傾角為-60 ，其他參數與垂直攝影一致。飛行時間為60 min，共獲得垂直相片389張、傾斜相片692張。

輸出坐標系為CGCS2000，Pix4Dmapper和Context Capture全部選擇默認參數，一鍵生成。生成的DOM、DSM如圖3所示。

圖3 DOM和DSM的制作效果

首先將DOM插入CAD中，在CAD上完成道路、植被、車位等要素的繪制；再將DOM和三維模型導入清華山維EPS中，完成建筑物的繪制；最后對樹木、雨棚、架空通道等遮蔽區域進行補測，同時檢查修正測量成果，得到最終完整的地形圖數據。

為了檢測本文方法的成圖精度，采用全站儀在測區內5個不同位置進行碎步測量，每個位置測量20個檢查點，用于統計無人機相片繪制的地形圖精度，結果如表1所示（由于篇幅限制，只列出其中1組對比數據）。其中，1～10為房屋角點，平面點位中誤差為 6.41 cm；11～20為道路、管井等平面地物，平面點位中誤差為 8.74 cm，可以看出，通過立體測圖方式繪制的房屋精度優于通過DOM直接繪制的平面要素精度，這是由于作業人員在影像判讀時引入了人工誤差，而立體測圖能很好地規避這一問題。全部5組對比數據的平面點位中誤差為 6.86 cm，符合 CJJ/T 8-2011《城市測量規范》對1∶500地形圖的精度要求。

表1 精度評定表/m

在效率方面，本文方法完成整個測區的外業飛行時間約為1 h，內業人工處理的時間約為3 h，外業到內業全部由單人完成；而采用傳統測繪方法，3人測繪小組外業測量6 h、內業1.5 h，完成了約全部測區的1/2，可以看出，與傳統測繪方法相比，本文方法在人力成本縮減了2/3的前提下，外業時間僅為傳統方法的1/12，內業時間兩種方法基本持平。

4 結 語

本文提出了一種基于大疆精靈4 RTK的快速測繪方法。相較于傳統測繪，該方法的工作重心由外業轉向內業，外業時間大幅縮短，節省了大量的人力，有效避免了人與人的密切接觸，免像控點布設，單人即可完成全部外業工作，且無需進入測區內部，在疫情形勢嚴峻的情況下，不受各種隔離管控措施的約束。在實際案例的應用中，可滿足1∶500地形圖的精度要求，已在城市基礎測繪中得到有效應用。