不同航高對無人機航測地形制圖精度影響研究

陶順勇 楊培兵

摘要：為研究不同航高對航測地形圖精度的影響，采用大疆經緯M300 RTK多旋翼無人機，對某水庫進行4種航高的航空攝影并獲取了航攝影像，利用大疆智圖軟件對數據進行了處理，得到了DOM，DEM，DLG等4D數字產品。將實測數據與航測成果進行對比，并進行了精度評定和分析，闡述了不同航高對無人機攝影測量地形制圖的精度影響。結果表明：所采用的4種航高飛行獲取的數據能夠滿足植被較少區域大比例尺地形制圖要求。研究成果可為無人機在地形圖測繪及相關領域的應用提供參考。

關鍵詞：航測地形圖; 4D產品; 無人機;攝影測量; 大疆智圖;大疆M300

中圖法分類號：P231 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.005

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0028 - 04

0 引 言

無人機航空攝影測量技術憑借其機動性、靈活性和安全性、高分辨率、高精度、低成本、短周期、易操作和高效率等優勢，在應急測繪和監測、智慧城市、工程建設、地理國情監測、城鄉規劃等行業得到了廣泛應用[1-3]。大疆經緯M300 RTK多旋翼無人機是大疆創新公司2020年發布的一款具備六向定位避障與可視化飛行輔助界面的無人機，滿足IP45防護等級，支持55 min超長續航和最遠15 km圖傳距離，可同時支持3個有效負載。同時，其2.7 kg的載荷也可以搭載輕型的激光雷達。另外，其雙控模式便于帶狀地形圖測量時的控制交接，給作業管理和規劃帶來了便利[4]。Zenmuse-P1采用全畫幅尺寸傳感器的相機負載，可更換定焦鏡頭和三軸云臺，實現更大的畫幅和更精準的時間同步，畫質與精度更高，有效像素4 500萬。搭配經緯 M300 RTK 和大疆智圖軟件，帶來高精度、高效率、一體化的航測解決方案[5]。本文利用M300 RTK作為搭載平臺，搭載 Zenmuse-P1相機對某水庫及周邊范圍進行外業航空攝影，采用大疆智圖軟件進行空三加密處理，得到研究區域的三維模型、DOM及點云等信息，將處理得到的內業成果與利用RTK實測的外業成果進行比對和精度評定分析，闡述了低空無人機不同航高對航測地形圖精度的影響。

1 實際應用研究

1.1 研究區域

本次研究區域選擇位于湖北省鄂州市境內的某水庫及離庫岸200 m范圍內。該水庫是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養殖、休閑旅游的綜合性水利樞紐。水庫為中型水庫，防洪標準按100 a一遇洪水設計，500 a一遇洪水校核。測區屬于低山丘陵地貌，區域內最高點與最低點高差約125 m。東西長約1.2 km，南北寬約1 km。測區內分布有大壩、水庫、公路、河流、農田、居民地、公共設施等。本次航攝選擇在空域條件良好，晴朗、能見度好的條件下進行，采用大疆M300和Zenmuse-P1相機對該區域進行4個相對高度的航飛，航高分別為150，250，350，450 m。然后將通過內業軟件處理后得到的成果與在現場實測的檢查點進行比較和分析，得到在同區域、同設備、同飛行環境條件下，不同航高得到的結果對地形圖成圖精度的影響。

1.2 航測技術流程

基于無人機的航空攝影測量技術流程如圖1所示，主要包含數據獲取和內業處理兩個環節。數據獲取包括資料收集及分析、航線規劃、航空攝影作業、獲取無人機航拍原始影像和POS數據及對數據進行質量檢查。內業處理包括利用大疆智圖軟件進行空中三角測量、后得到研究區域的三維模型、DOM，DEM，DLG等數字產品。最后通過質量檢查后提交成果。

1.3 飛行參數比對

根據本研究實際情況，對研究區域布設航線，不同航高飛行參數如表1所示。

1.4 檢查點布設及測量

為了精度評定及分析需要，在研究區域內布設85個點，如圖2所示，檢查點除水庫水域范圍外均勻分布在整個測區。檢查點測量按照RTK圖根點地形測量要求，檢查點標志和做普通像控點標志一致，在地面利用羊毛刷和白色油漆涂刷以利于內業判讀，一般做L型或十字型，能達到在無人機拍攝影像上清晰判讀的要求。儀器經過控制點校正，經檢查，平面和高程誤差均在5 mm以內，校正完后對每個檢查點用對中支架固定儀器，在RTK固定解模式下逐個進行測量后得到檢查點坐標。本次研究采用CGCS2000坐標系，1985國家高程基準。

1.5 航空攝影作業及內業數據處理

在申請空域完成的前提下，航空攝影作業應盡量選擇晴朗、能見度好的天氣進行航攝。為了確保經緯M300 RTK安全和解算穩定，選擇空曠位置起飛，同時起飛位置盡量選擇通訊網絡信號較好的地方，避免電磁干擾、遮擋干擾比較嚴重的區域。另外，確保遙控器與飛行器連接良好，否則會影響后期解算精度。完成拍攝后，人工檢查影像成像質量，如亮度、清晰度、色調、紋理等，同時需要將獲取的原始POS數據進行整理及處理，以備后續軟件處理。

獲取原始影像及POS數據后，將原始影像及POS導入大疆智圖軟件，設置好坐標系統和高程系統，然后導入POS數據后選擇好輸出的內容，包括三維模型格式、點云、輸出坐標系統等信息，完成后提交進行空三處理和三維模型重建等工作。成果經過內業解譯人員人工處理及采集可得到該區域的DOM，DEM，DLG等4D數字產品。

2 精度評定及分析

為了評定不同航高對地形圖精度的影響，采用人機交互方式檢查，在CASS10.1軟件中利用CASS3D加載三維模型，分別在4個不同航高生成的三維模型上獲取所有外業布設的檢查點坐標和高程。然后與外業實測的85個檢查點經過對比和分析，剔除以下3種由外界環境產生誤差較大的點：① 由于樹木、建筑物等遮擋導致成圖模型中無法讀取地面點坐標和高程;② 檢查點標志被人為破壞，無法準確獲取地面點位置;③ 由于天氣原因下雨后導致庫區水位上漲將布設檢查點淹沒。剔除后，將剩余的點隨機選取38個點進行實測檢查點和量測坐標比對，詳細平面和高程的比對結果如表2所示。通過計算，航高為150 m的點位中誤差為[σxy]=±0.031 m，高程中誤差[σz=]±0.028 m;航高為250 m的點位中誤差為[σxy]=±0.041 m，高程中誤差[σz=]±0.032 m;航高為350 m的點位中誤差為[σxy]=±0.055 m，高程中誤差[σz=]±0.046 m;航高為450 m的點位中誤差為[σxy]=±0.077 m，高程中誤差[σz=]±0.059 m，以上數據表明本次實驗4種不同航高航拍處理后所得到的精度完全能滿足1∶1 000數字測圖要求[6]。根據表2和所計算中誤差可以得到以下結論：① 以經緯M300 RTK無人機和禪司P1相機為載荷拍攝的航高150，250，350和450 m所獲取的數據得到的精度總體比較理想，平面和高程精度小有差異，可以滿足大比例地形圖測圖要求。② 在成像條件相同、航高相對較低的條件下，得到的精度相對較高，而隨著航高增加，所得到的成果精度呈逐漸下降趨勢。

3 結 語

利用當前較先進的大疆經緯M300多旋翼無人機作為載體搭載禪司P1相機對某水庫進行航空攝影測量，對該水庫同一區域不同航高（分別為150，250，350，450 m）進行拍攝。將所獲取的影像數據處理后的成果與實地RTK測繪的成果進行了對比分析。實驗結果表明：① 4 500萬高像素拍攝4種不同航高所得到成果精度都較高，能夠滿足植被較少區域大比例尺地形制圖需求;② 在相同成像條件下，于航高相對較低處拍攝，得到的精度相對較高，而隨著航高增加，所得到的成果精度呈逐漸下降趨勢。

從該研究而言，基于無人機不同航高的航測結果具有科學性，可靠性，精度高等優勢和特點。但是，本文以下問題值得商榷和探討：① 本研究區域所得到的精度是在裸露地面的精度，而對于有植被和遮擋物位置的高程仍然無法準確獲取，只能通過借助三維模型及人工經驗來判讀，若需一次性獲取植被、遮擋物等的高程，需要更先進和更高配置的激光雷達來解決該瓶頸問題，這也是下一步需要解決的問題和方向。② 本次研究所獲得的成果總體而言精度比較高，但是外業航空攝影和內業數據處理利用的均是大疆創新科技公司的硬件和軟件，未利用其他攝影測量軟件，如ContextCapture，Pix4D，Inpho等對該次數據進行處理，具有一定的局限性。③ 由于M300無人機最高限高為500 m，倘若利用該無人機測1∶5 000或1∶10 000地形圖時，雖然可滿足精度要求，但是相對固定翼無人機而言，飛行效率還是比較低。小比例尺地形圖低空數字航空攝影仍需要固定翼無人機來航測，在條件允許的情況下，利用免像控固定翼垂直起降無人機為最佳選擇。

參考文獻：

[1] 王洛飛. 無人機低空攝影測量在城市測繪保障中的應用前景[J]. 測繪與空間地理信息，2014（2）：217-219，222.

[2] 朱正榮，李少龍. 無人機攝影測量用于大比例尺地形圖測繪的實踐[J]. 測繪標準化，2014（1）：23-26.

[3] 謝運廣. 無人機傾斜攝影測量在大比例尺地形圖中的應用和精度分析[J]. 測繪與空間地理信息，2021（3）：195-197，200.

[4] 經緯M300RTK技術參數[EB/OL]. https：//www.dji.com/cn/matrice-300/specs.

[5] 禪司P1介紹[EB/OL]. https：//www.dji.com/cn/zenmuse-p1/video.

[6] GB/T 14912-2005 1：500，1：1 000，1：2 000外業數字測圖技術規程[S].

（編輯：唐湘茜）