多旋翼無人機傾斜攝影測量技術在水利工程測量中的應用

張亞林

(甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，蘭州，733000)

1 引言

傳統攝影測量需要進行大量像控點的布設，通過對空中三角形的解析來解算六個外方位元素[1]。在無人機測圖時，GNSS通過差分可將攝影測量中心曝光時刻的三個空間位置信息提供出來，從而可將外業像控點減少[2]。對于無人機攝影測量而言，常用定位技術有實時動態差分(RTK)、事后動態差分(PPK)，這兩種差分方式在原理上存在差異，但在精度上基本一致[3]。傳統方法進行1∶500地形圖的測繪時，主要利用RTK、全站儀進行地物點、特征點三維坐標的實地采集，然后再使用軟件進行地形圖的編繪[4]。傳統1∶500地形圖測量采集的要素較多，且在精度上具有較高的要求，需投入大量測工進行實地采點、調繪。

近年來，隨著航空攝影測量的發展，使得采用多旋翼無人機搭載多鏡頭的相機攝影測量技術已較為成熟，且在1∶500比例尺測圖項目中應用廣泛[5-7]。隨著續航時間、飛控軟件、載重量、定位精度等無人機參數優化提升，無人機攝影測圖效率越來越高，無人機已取代傳統人工測繪，成為大面積測圖主流方式[8]。但傳統航測未突破5cm點位中誤差的要求，這對無人機在高精度測圖項目中的應用造成了限制。因而，研發一種在大范圍1∶500適應的無人機測圖方案非常必要。和傳統人工測量相比，無人機掛載傾斜攝影設備測量1∶500地形圖時表現出迅速、靈活、作業范圍廣等優點[9]。無人機傾斜攝影測量技術是無人機進行多鏡頭相機搭載，對拍攝區域進行無死角、全方位拍攝，經內業差分處理可將三維實景模型制作出來[10]。傾斜攝影測量具有高精度、全面直觀、低成本、高效等特點[11]。因此，本文在甘肅禮縣某水庫安全鑒定工程中使用無人機進行了1∶500地形圖測繪。

2 無人機攝影測量技術

2.1 RTK技術及PPK技術

采用RTK技術作業時，在流動站及基準站間，流動站及CORS控制中心間建立實時通訊鏈路，網絡RTK技術和常規RTK技術均方便快捷，可實時得到測量點位質量信息及三維坐標。常規RTK技術受電臺功率、地形條件、數據鏈傳輸質量的影響較大，因作業距離短，需不停進行基準站的變換。在應用上，網絡RTK取決于無線信號覆蓋強弱、范圍，同時還與控制中心解算軟件穩定性及處理能力有關。PPK屬于一種GNSS動態數據后處理技術(獲取厘米級定位精度信息的后處理差分技術)，不受地形限制，流動站及基準站GNSS接收機進行對采集的原始觀測數據處理后，測量精度可達到厘米級。本研究使用大疆經緯M300無人機，其主要參數詳見表1。

表1 大疆經緯M300無人機主要參數

2.2 RTK及PPK測量技術工作原理

RTK技術是基于載波相位為觀測量實時差分測量技術，其工作原理是在基準站安裝數據發送電臺及GPS接收機，實時發送基準站位置信息及觀測量信息給流動站。流動站對四顆以上的衛星信號進行實時接收，并對基準站電臺發送的觀測數據、差分改正數據進行接收，將用戶位置實時解算出來。RTK技術能將流動站、基準站公有誤差大幅度消弱，可將定位精度大幅提高。RTK定位精度可達到厘米級別。

PPK測量系統由流動站、基準站組成，用戶不需要配備數據通信鏈路。其工作原理是采用一臺基準站接收機及流動站接收機，保持流動站、基準站對可見衛星連續進行同步觀測，形成對衛星載波相位觀測量。結束觀測后，使用GNSS軟件處理數據，從而可將基準站、流動站間的空間相對位置計算出來，在軟件里將基準站已知坐標進行固定，平差獲得流動站坐標。PPK技術隨GNSS數據處理技術、軟硬件技術的發展，尤其是無人機攝影測量技術的日漸發展，其應用范圍日趨擴大。目前，無人機均具有PPK作業及數據處理功能。圖1為PPK技術作業基本流程。

圖1 PPK技術作業基本流程

傾斜攝影測量是在無人機上搭載一臺單鏡頭相機或多鏡頭相機，從斜視、下視等不同視場角度獲取影像，完整表達地物情況。垂直影像是相對于地面成90°夾角拍攝的影像，傾斜影像是相對于地面有相對應夾角拍攝的影像。傾斜相機是傾角大于15°的拍攝相機。無人機傾斜攝影系統由無人飛行器平臺、操作人員、航拍設備組成。無人飛行器平臺分為固定翼無人機、多旋翼無人機；操作人員由地面站指揮員、無人機駕駛員組成；航拍設備由姿態定位系統、傾斜相機組成。無人機航空攝影包括無人機作業飛行、發射、數據檢查、無人機回收等步驟。選擇適宜起降場地，在飛行指令接收到后，發射無人機。無人機集成可高精度差分系統只需獲取地面端的基站數據及無人機端的差分數據。無人機飛行任務完成后，返航到降落點上空，在操控員掌控下，用遙控器切換到人員操縱模式，引導無人機著陸。從存儲設備中將差分數據、影像數據導出，檢查數據。后期處理流程包含空中三角測量、數據預處理、點云建模等步驟。圖2為內業處理流程。

圖2 內業處理流程

3 1∶500地形圖制作

利用EPS測圖軟件進行三維實景影像成果立體采集，對1∶500線劃地形圖進行測制，包含四個步驟：

步驟一是繪制建筑物外部輪廓：通過建筑物側面形狀數據，對建筑側面輪廓的基點進行繪制，形成閉合線狀要素，根據三維模型對建筑物特征進行確定，賦予要素建筑物屬性信息。

步驟二是繪制線狀地物：通過傾斜模型繪制線狀地物，在三維模型上，直觀展現地物平面高程、位置、屬性特征等，快速提取要素內容。

步驟三是提取高程：傾斜模型上有高程信息，在模型上快速提取高程數據。

步驟四是修飾地形圖：完成繪制后，對照傾斜攝影模型檢查圖面進行注記，對要素進行修飾繪制。

4 無人機傾斜攝影1∶500地形圖的測繪實例

4.1 測區概況

本次航攝測區為某水電工程區1∶500地形圖測繪，此測量區域內包含了水庫以及山地，而測區則是水庫及水庫周邊山地，其平均海拔大概達1650m，航攝測區的面積約2.0km2，圖3為測區范圍，表2為部分像控點數據。

表2 部分像控點數據 (單位：m)

圖3 測區范圍

為滿足模型精度，測區內共布設像控點15個。

4.2 航線規劃設計

在無人機航攝開始飛行之前，依據成圖，應當計算飛行作業時的航飛參數，比如攝影比例尺以及計算航線的間距、航行高度等。

4.2.1 確定地面分辨率和航髙

依據所需的成圖比例尺的條件來明確地面的分辨率，表3為地面成圖比例尺以及分辨率間的對應表。

表3 地面成圖比例尺和分辨率對應

攝影航高所指的是和地面相對而言，攝影平臺的基準面所具有的高度[10]。航高的算式是：f/H=像元尺寸/H，(其中，f為焦距，H為攝影航高)。以GSD標示著地面的分辨率，基于相機校驗而得出f以及像元尺寸。本次航飛采用賽爾102S，像元尺寸為3.9um，焦距為35mm。

4.2.2 像片重疊度及航線參數設置

依據低空數字航空攝影的規范要求，航向的重疊度采用80%，旁向重疊度采用70%。基于測區范圍，明確出航線的起點以及終點、航線的方向、間隔、長度以及航線數量。航線的間隔寬度以及基線的長度計算可采用下列求算式：

bx=Lx×(1-px)
dy=Ly×(1-pr)
Bx=bx×(H/f)
Dy=dy×(H/F)

上式中，bx為像片上的攝影基線長度；BX為實地攝影的基線長度；dy為航線間隔寬度；px為航向重疊度；DY為實地航線的間隔寬度；Lx為像幅長度；pr為旁向重疊度；H為攝影航高；Ly為像幅寬度；f為鏡頭焦距。

4.3 基于大疆制圖軟件進行航測數據處理

大疆制圖軟件數據處理過程完全自動化，操作比較簡易、處理的速度也很快；快速化地自動生成DOM以及DSM，并針對傾斜影像實施自動化勻色處理；通常在測區邊緣以內、測區中間布置像控點。設置好像控點坐標系并將像控點文件導入，刺點后提交空中三角測量，生成實景三維模型。具體流程如圖4所示。

圖4 空中三角測量流程

圖5為水庫傾斜三維模型，空洞區為水庫水面，無法生成三維模型。

圖5 水庫傾斜三維模型

4.4 數據編輯

在10.1的CASS大比例尺專業圖形編輯軟件中編輯1∶500地形圖，圖6是局部的1∶500地形圖。

圖6 局部1∶500地形圖

4.5 地形圖精度評定

依據《數字測繪成果質量檢查與驗收》(GB/T 18316-2008)以及《測繪成果質量檢查與驗收》(GB/T 24356—2009)的要求來針對工程區的1∶500地形圖展開圖面檢查，借助于外業的檢查點與地形圖進行對比，是否滿足規范精度要求。

4.5.1 地形圖平面精度評定

此次的實地量測量總共有30個平面檢查點，對工程測區之內的地形圖平面精度加以檢驗，表4是測驗區內部中分地形圖之平面檢查點的精度統計。

表4 測區內部分地形圖之平面檢查點的精度統計(m)

從表4可知，檢查點的最小點位誤差是0.01m，而檢查點的最大點位誤差則是0.10m，本測區為一般地區，依比例尺1∶500的計算，由表5能夠知，可得出容許點位中誤差限差達到1.59m。此次的地形圖測量其點位中誤差可滿足比例尺1∶500地形圖的精度要求。

表5 圖上地物點的點位中誤差 (單位：mm)

4.5.2 地形圖高程精度評定

本項目工程區1∶500地形圖一幅，對測區之中的地形圖的高程精度加以檢驗，可用外業實測的檢查點來對內業地形圖的高程作出測量。表6是1∶500地形圖中的一些高程檢查統計數據。

表6 1∶500地形圖部分高程檢查統計 (單位：m)

從表6可見，根據數據所得中誤差為0.037m，地形圖高程的精度切合于具體的精度要求。經對于地形圖的高程精度以及平面精度的具體分析可知，工程區的地形圖1∶500其精度是與規范要求相符的，而且質量優良。

5 結語

多旋翼無人機傾斜攝影測量技術近年來在測繪行業應用廣泛，本文基于甘肅禮縣某水庫安全鑒定工程使用無人機進行了1∶500地形圖測繪，對無人機低空攝影測量技術基本流程及關鍵技術進行系統介紹。經與野外實測點對比，平面及高程精度滿足規范中對1∶500地形測圖的精度要求。通過該技術可實現水庫多源地理信息數據的快速獲取，同時獲取的地表模型數據、點云數據、影像數據可為水庫工程設計、施工等提供有效數據支撐。