消費(fèi)級(jí)無人機(jī)與GNSS接收機(jī)在地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用及精度分析

丁瑩瑩，趙云昌，袁國(guó)霞

(1.山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102；2.山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

隨著我國(guó)人工智能的發(fā)展以及無人機(jī)技術(shù)平臺(tái)的建設(shè)，無人機(jī)獲取地理信息特征技術(shù)已經(jīng)非常成熟，傾斜攝影測(cè)量的發(fā)展為無人機(jī)大比例尺地形圖測(cè)繪提供了技術(shù)支持[1-4]。測(cè)繪類無人機(jī)平臺(tái)費(fèi)用較高、環(huán)境因素和技術(shù)人員素質(zhì)要求較高，對(duì)很多測(cè)繪單位來說都是一個(gè)很難解決的問題，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的出現(xiàn)解決了此類問題，對(duì)大比例尺地形圖的測(cè)繪提供了快捷的方案[5-10]。

固定翼無人機(jī)在飛行應(yīng)用方面，由于自身的設(shè)計(jì)和造型原因，受工作場(chǎng)地、測(cè)區(qū)范圍、成本控制、機(jī)動(dòng)方面、靈活設(shè)置航線等方面影響。消費(fèi)級(jí)多旋翼無人機(jī)隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，在大比例尺地形圖測(cè)繪中應(yīng)用越來越廣。傳統(tǒng)的測(cè)圖技術(shù)主要是利用儀器獲取地理位置，再導(dǎo)入繪圖軟件按照一定的要求繪制出地形圖，人力物力成本較高[4-6,11-12]。

本文地形測(cè)繪主要采用低空航空攝影測(cè)量和GNSS接收機(jī)測(cè)量相結(jié)合的方法施測(cè)。山區(qū)植被茂密，對(duì)低空航空攝影測(cè)量無法滿足成果精度區(qū)域，溝渠、河流、水塘等需要采集水底高程的部位，采用GNSS接收機(jī)進(jìn)行施測(cè)。數(shù)據(jù)采集前、后均進(jìn)行了測(cè)站檢查，并記錄檢查結(jié)果。利用EPS三維測(cè)圖系統(tǒng)與南方CASS9.1繪制1∶500地形圖，選取多個(gè)房屋的特征點(diǎn)利用全站儀觀測(cè)后確定的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，誤差符合測(cè)圖標(biāo)準(zhǔn)。

1 項(xiàng)目概況及實(shí)施

該項(xiàng)目位于某跨海大橋項(xiàng)目拓展區(qū)，連接邊緣城市和大型城市之間溝通。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)有丘陵、山地、平原、高速公路等地物地貌。為了滿足論文研究需求，對(duì)陸域地形圖進(jìn)行修補(bǔ)測(cè)量，需要觀測(cè)的丘陵區(qū)、隧道區(qū)、植被區(qū)，采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)與GNSS接收機(jī)聯(lián)合使用，大部分地區(qū)利用無人機(jī)航飛技術(shù)獲取成果，對(duì)于地形起伏大、山高林密區(qū)域以及河流、溝渠、水塘、房屋等需采用GNSS接收機(jī)觀測(cè)。

2 無人機(jī)攝影測(cè)量

(1)航高計(jì)算與航攝時(shí)間。航空攝影的地面分辨率(GSD)取決于飛行高度，如圖1所示[7-10]。充分采用無人機(jī)所搭接的相機(jī)參數(shù)、航高的計(jì)算公式，利用原有地形圖計(jì)算出該測(cè)區(qū)的地面分辨率，采用航攝地面分辨率為0.05m，設(shè)計(jì)相對(duì)飛行高度為125m。通過公式計(jì)算出合適飛行高度，不僅能夠降低內(nèi)業(yè)成圖時(shí)的定位精度誤差，而且能夠滿足外業(yè)測(cè)區(qū)飛行高度的安全限差要求。

圖1 航高與地面分辨率關(guān)系圖

項(xiàng)目在開展過程中，由于受當(dāng)?shù)卮髿馔该鞫取⒐庹照丈洹⒌乇碇脖患捌涓采w物、太陽高度角、陰影倍數(shù)關(guān)系等多種因素影響，所以本次航攝時(shí)間采用正午前后2h作業(yè)，以此來提高航攝產(chǎn)品的質(zhì)量[7-8，13-16]。

(2)像控測(cè)量。本次測(cè)區(qū)像控點(diǎn)間距最大為500m，像控點(diǎn)覆蓋了整個(gè)測(cè)區(qū)并且滿足航片標(biāo)注要求，旁向航片上的標(biāo)注數(shù)量多于3張，航向航片標(biāo)注多于2張，像控點(diǎn)的標(biāo)注位置未出現(xiàn)在照片邊緣位置[7-8]，像控點(diǎn)具體布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

像控點(diǎn)測(cè)量采用GNSS-RTK方式施測(cè)，測(cè)量像控點(diǎn)標(biāo)記轉(zhuǎn)角位置三維坐標(biāo)。像控點(diǎn)精度按像片控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不超過地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5、相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不超過基本等高距的1/10執(zhí)行。外業(yè)像片獲取后，為了后續(xù)的平差處理采用統(tǒng)一的格式編號(hào)，包含了編號(hào)、原始編號(hào)、工作人員、日期等方面要素[17-18]。

(3)實(shí)施過程。進(jìn)入施工測(cè)區(qū)，搜集原來的高等級(jí)控制點(diǎn)和已有的地形圖資料，完成當(dāng)?shù)氐目沼蛏暾?qǐng)，確定合適的空域和時(shí)間，制定詳細(xì)的施測(cè)技術(shù)方案。具體步驟，首先內(nèi)業(yè)根據(jù)原有的地形圖和控制的測(cè)量成果進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，外業(yè)操作人員進(jìn)行飛機(jī)性能檢測(cè)，根據(jù)技術(shù)方案布設(shè)一定密度的像控點(diǎn)。其次利用GNSS接收機(jī)進(jìn)行像控點(diǎn)三維坐標(biāo)的獲取，并且進(jìn)行平差解算。最后飛控人員進(jìn)行外業(yè)像片的采集和空三結(jié)算；內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行地形圖繪制與外業(yè)調(diào)繪檢查精度；質(zhì)量檢測(cè)部門進(jìn)行成果質(zhì)量檢查驗(yàn)收，確保成果無誤，提交使用。具體流程如圖3。

圖3 實(shí)施流程圖

3 研究成果

首先根據(jù)外業(yè)像控點(diǎn)，采用SMART 3D空中三角測(cè)量加密軟件進(jìn)行加密；利用像控點(diǎn)成果、調(diào)繪資料采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站對(duì)地物判調(diào)[7-10,19-20]；最后采用CASS 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯。

(1)成果分析。空三測(cè)量及精度分析，采用合格的像片數(shù)據(jù)、野外控制像片及像控點(diǎn)成果、外業(yè)控制網(wǎng)布點(diǎn)略圖，每個(gè)架次作為1個(gè)區(qū)進(jìn)行加密，采用SMART 3D完成測(cè)量，并進(jìn)行平差計(jì)算，獲得影像外方位元素，部分精度分析如表1。

表1 部分空三精度統(tǒng)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇測(cè)區(qū)周邊的4個(gè)像控制點(diǎn)作為分析對(duì)象，通過分析表1和圖4可以得出，x方向差值最大為3.2cm，最小差值為1.7cm；y方向最大差值3.7cm，最小差值為1.1cm；點(diǎn)位限差最大4.8cm，最小為1.8cm，限差都控制在5cm范圍內(nèi)。

圖4 差值分析圖

(2)精度分析。利用0.5s全站儀對(duì)測(cè)區(qū)明顯的特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，采用像控點(diǎn)為設(shè)站點(diǎn)和定向點(diǎn)，獲取特征點(diǎn)房角點(diǎn)的三維坐標(biāo)，提取圖上對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)坐標(biāo)，重點(diǎn)分析x、y方向和點(diǎn)位的誤差，具體的分析結(jié)果如表2和圖5。

表2 檢測(cè)點(diǎn)成果表

圖5 檢測(cè)點(diǎn)誤差分析圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇測(cè)區(qū)周邊的5個(gè)房屋的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，通過分析表2和圖5可以得出，x方向差值最大為3.1cm，最小差值為1.1cm；y方向最大差值4.8cm，最小差值為2.1cm；點(diǎn)位限差最大4.9cm，最小為3.0cm，限差都控制在5cm范圍內(nèi)。

(3)成本分析。通過分析表3 可以得出，傾斜攝影測(cè)量平臺(tái)，采用新設(shè)備新方法，雖然觀測(cè)效率較高，但是成本較高；GNSS接收機(jī)儀器費(fèi)用較低，但是效率較低，適應(yīng)常規(guī)的測(cè)量單位，工期時(shí)間較長(zhǎng)；無人機(jī)與GNSS接收機(jī)觀測(cè)的時(shí)間、成本都居中，相對(duì)來說應(yīng)用的比較多，適合無人機(jī)測(cè)繪難以全部實(shí)現(xiàn)的山區(qū)及趕工期的項(xiàng)目。

表3 三種方法觀測(cè)情況

4 結(jié)論

(1)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)尤其是大比例尺地形圖測(cè)繪方面應(yīng)用，彌補(bǔ)了傾斜攝影測(cè)量平臺(tái)價(jià)格昂貴、操作困難、技術(shù)人員素質(zhì)較高的缺陷。

(2)無人機(jī)與GNSS接收機(jī)聯(lián)合使用在復(fù)雜的測(cè)區(qū)環(huán)境內(nèi)相互補(bǔ)充，能夠提供地面信息比較全的地形圖，通過與高精度全站儀測(cè)量的特征點(diǎn)坐標(biāo)相比對(duì)，精度較高能夠滿足大比例尺地形圖測(cè)圖的精度要求。

(3)本文提供的技術(shù)方案和施測(cè)方法能夠?yàn)橥软?xiàng)目提供一定的技術(shù)支持，可以推廣到小區(qū)域的大比例尺地形圖測(cè)繪。