消費級無人機在1∶500 帶狀地形圖測圖中的應(yīng)用

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093）

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計算機預(yù)編程序自主控制飛行［1］。根據(jù)外型、尺寸大小及應(yīng)用，可分為單旋翼無人機、多旋翼無人機、固定翼無人機、無人直升機、混合翼無人機、撲翼無人機、飛艇等。適用于枯燥的（Dull）、臟的（Dirty）和危險的（Dangerous）工作［2-3］。其因成本低、效率高、機動靈活等特點而廣泛應(yīng)用于測繪［4-5］、智慧城市建設(shè)、農(nóng)林業(yè)、電力水利、警察巡檢等各行業(yè)。已有地形圖測量方式有全站儀、GNSS-RTK、傳統(tǒng)航空攝影測圖、三維激光掃描［6-7］。固定翼無人機在測繪地形圖中的應(yīng)用研究較多，其自身具有飛行穩(wěn)定、抗干擾能力強、飛行時間長等優(yōu)勢，因而測圖精度極大提高。文獻［8］利用固定翼無人機對1∶1 000 地形圖進行測量，通過精度分析，證明其滿足1∶1 000 大比例尺航測內(nèi)業(yè)規(guī)范要求。而近年來關(guān)于消費級旋翼無人機的研究也開始多起來，文獻［9］利用消費級無人機測圖，在合理布設(shè)控制點的情況下，測圖精度滿足大比例尺地形圖測圖精度；文獻［10］設(shè)計控制點布設(shè)方案，利用無人機在小區(qū)域測圖中進行試驗，建模精度滿足要求；文獻［11］對無人機測圖流程進行優(yōu)化，達到1：500地籍圖的測圖精度要求；文獻［12］將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于大比例尺測圖，得出精度滿足小區(qū)域大比例尺測圖精度要求。本文利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對帶狀地形圖進行探究，將消費級無人機應(yīng)用于帶狀地形圖測量，發(fā)揮其廉價高效優(yōu)勢，測量精度達到1：500 等大比例尺測圖要求，能生產(chǎn)出優(yōu)于傳統(tǒng)模式測量的地形圖，為各項國民經(jīng)濟建設(shè)提供規(guī)劃設(shè)計保障。

1 測區(qū)及儀器條件

1.1 測區(qū)概況

該測區(qū)位于云南省通?？h，東經(jīng)102°46'44″～102°49'09″，北緯24°03'29″～24°09'49″。測區(qū)年平均氣溫11.8℃～17.6℃。坐標系統(tǒng)為CGCS2000 坐標系，高程系統(tǒng)為1985國家高程系統(tǒng)，中央子午線102°30'，投影面1 750m。測區(qū)約0.3km2，設(shè)計要求測量至道路兩邊建筑或農(nóng)田邊界處，寬約200m。

1.2 儀器條件

無人機系統(tǒng)由無人機平臺、傳感器、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路、地面控制站組成。其中，無人機飛行平臺主要有固定翼無人機和多旋翼無人機，多旋翼無人機以其體積小、機動靈活、價格低廉等優(yōu)勢，被應(yīng)用于測繪及其它行業(yè)［13］。實驗儀器包括：

（1）大疆精靈4 無人機，參數(shù)如表1 所示。

Table 1 DJI Elves 4 UAV platform parameters表1 大疆精靈4 無人機平臺參數(shù)

（2）相機。影像傳感器：1/2.3 英寸CMOS，有效像素1 200 萬；鏡頭：FOV94°20mm（35mm 格式等效）f/2.8 焦點無窮遠；照片最大分辨率：4 000 像素×3 000 像素。

（3）GNSS 與全站儀。RTK 測圖設(shè)備是南方NGS-9600 GPS RTK 4 臺套（編號：NO.1182739327，1182739540），儀器標稱精度（10mm+1pmm）；全 站 儀SOUTH NTS-352 2 臺套（編號：NO.S13086，S52728）。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 航攝外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，在奧維地圖上標好像控點布設(shè)位置，然后實地勘察，布設(shè)像控點和標志，采集像控點坐標［14］。根據(jù)航空攝影知識，航向重疊度是在同一條航線上，相鄰兩像片應(yīng)有一定范圍的影像重疊，一般選取60%～80%，最小不得小于53%；旁向重疊度是相鄰航線應(yīng)有的影像重疊，一般選取15%～60%，最小不得小于8%。其計算公式如式（1）、式（2）所示。

航向重疊度：

旁向重疊度：

其中，Lx、Ly表示航向和旁向重疊部分邊長，Ix、Iy表示像幅邊長［15］，如圖1、圖2 所示。

Fig.1 Course overlap圖1 航向重疊度

Fig.2 Lateral overlap圖2 旁向重疊度

實驗航向重疊度80%，旁向重疊度60%，航高100m，用單鏡頭從左、上、右3 個視角、3 架次采集照片，示意圖如圖3 所示。

Fig.3 Schematic diagram of single-lens image acquisition圖3 單鏡頭影像獲取示意圖

飛行注意事項：應(yīng)選擇飛行區(qū)視野開闊、較高處作為起飛點以保證信號連接暢通，飛行天氣晴朗、光照充足、大氣透明度好，不宜在傍晚飛行。

2.2 像控點布設(shè)

控制點一直以來是測繪地形圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是確保測量數(shù)據(jù)準確無誤并提高測圖效率和精度的重要保障。利用無人機傾斜攝影技術(shù)雖然可以做免像控測圖，但需要良好的信號區(qū)域和較高精度的定位技術(shù)。就實際地形和消費級無人機而言，這種免像控方法暫時還很難實現(xiàn)。因此，采集外業(yè)數(shù)據(jù)時需合理布設(shè)像控點，確保數(shù)據(jù)精確性，這對最終地形圖精度起決定性作用。

像控點布設(shè)要求主要有：①在航飛前布設(shè)好地面標志；②如果在同一位置布設(shè)了平面點和高程點，應(yīng)聯(lián)測為平高點；③像控點最好布設(shè)在旁向重疊中線附近，使得布設(shè)在旁向重疊和航向重疊的像控點可以共用；④像控點應(yīng)布設(shè)在通過像主點垂直于方位線附近，不得布設(shè)于像片邊緣位置，因為邊緣照片質(zhì)量差、變形大，影響刺點精度。布點方案分為全野外布點和非全野外布點方案，非全野外布點方案又分為航帶網(wǎng)布點和區(qū)域網(wǎng)布點［16-17］。實驗中采用航帶網(wǎng)布點中的五點法布設(shè)像控點，四周各布設(shè)4 個，中間布設(shè)1 個，用紅色硬紙（長×寬：1m×0.5m），一邊剪成三角，將角嚴格對準像控點并將其作為標志，用RTK 基準站＋移動站模式平滑測得5 個像控點坐標。像控點布設(shè)如圖4 所示（彩圖掃OSID 碼可見）。

Fig.4 Layout of image control points Layout of image control points圖4 像控點布設(shè)

2.3 航攝外業(yè)像片質(zhì)量檢查

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需在現(xiàn)場檢查航飛像片質(zhì)量，各項質(zhì)量檢查符合要求后才可以結(jié)束外業(yè)飛行任務(wù)。否則，應(yīng)及時補測，飛行質(zhì)量嚴重不符合檢查要求時，要考慮重新飛行。無人機的外業(yè)飛行質(zhì)量檢查項目有很多，大體可以分為3 類：①航線質(zhì)量檢查：包括航高檢查、地面分辨率是否達到測圖要求、航線是否完全覆蓋飛行區(qū)域等；②航飛質(zhì)量檢查：包括航向重疊度和旁向重疊度是否滿足設(shè)計要求、飛行軌跡與設(shè)計軌跡的差距是否大于航測最低要求、像片傾斜角度和旋轉(zhuǎn)角度是否超出其最小要求范圍等；③影像質(zhì)量檢查：包括由于自然條件造成的因素，如天氣明暗的急變造成影像建模后色差不一致，檢查是否可以看得清最小物體的形狀和紋理，檢查影像是否存在由于信號弱和風(fēng)力等影響造成的影像模糊、缺失和重疊，若飛行時間選擇不合理，會造成部分高大建筑物有陰影，影響后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集等。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及精度分析

3.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如圖5 所示。

實驗共采集2 027 張像片，經(jīng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后現(xiàn)場檢查，沒有出現(xiàn)漏飛、陰影、重疊飛行、影像模糊、色調(diào)色差不一致等影響三維建模效果的因素。將所有圖像導(dǎo)入Context Capture 三維建模軟件中，并設(shè)置傳感器和焦距尺寸大小，然后進行照片完整性檢查，本次實驗照片檢查全部通過。然后添加控制點進行刺點，在刺點前要設(shè)置好相應(yīng)的坐標系，刺點完成后提交空中三角測量進行自動平差解算任務(wù)，然后會生成控制點精度報告，其精度要求如圖6所示。

如果控制點刺點精度滿足控制點刺點精度評價要求，則可以進行下一步三維建模，如果控制點刺點精度不滿足控制點刺點精度評價要求，則重新進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置檢查和刺點，直至滿足精度要求后再進行三維建模任務(wù)。建模時設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括坐標系統(tǒng)選擇、根據(jù)計算機設(shè)備能力進行瓦片劃分、選取感興趣目標區(qū)域和過濾邊緣瓦片以提高計算機處理速度、明確三維建模最終成果文件格式等，最終生成三維模型、DOM/DSM/三維點云數(shù)據(jù)等測繪產(chǎn)品。將其導(dǎo)入清華山維（EPS）三維測圖軟件中進行地物地貌數(shù)據(jù)采集，再用CASS7.1 進行編輯，最終經(jīng)外業(yè)調(diào)繪，對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集錯誤的地物地貌進行修改，最后制作成地形圖。

Fig.5 Internal data processing flow圖5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程

Fig.6 Accuracy evaluation requirements of control points圖6 控制點精度評價要求

實驗中采用的Context Capture 屬于自動化三維建模軟件，控制建模精度的關(guān)鍵因素是影像和像控點質(zhì)量?？杖馑愫苤匾虼嗽诘谝淮未厅c成功后，再精確刺點，提交一次空三解算［18］。實驗過程中共布設(shè)5 個像控點，其中1個邊緣點標志發(fā)生移動，故僅用4 個像控點進行空三解算，精度評價為高，如圖7 所示。

Fig.7 Accuracy report of experimental control points圖7 實驗控制點精度報告

實驗三維建模效果佳，可量測地物坐標、長度、面積和體積，三維建模局部效果如圖8 所示。

Fig.8 Local diagram of 3D modeling圖8 三維建模局部效果

3.2 正射影像圖（DOM）全景快速拼接

正射校正在進行基本幾何校正的同時，又引入高程和地面高程模型（DEM）以達到消除因地形起伏而引起的圖像幾何畸變，從而確保了圖像的幾何精度。因此，正射影像圖是經(jīng)過正射校正的圖像，其空間位置更加精確，并統(tǒng)一了全幅圖像比例尺。

完成三維建模后并提交，選擇生成正射影像圖，最終生成的正射影像圖不是全景圖，還需要對其進行全景正射影像圖拼接?？梢岳肁rcgis10.2 的圖像鑲嵌工具完成正射影像圖快速拼接，在ArcToolbox 中選擇“鑲嵌至新柵格”，選擇三維建模生成的未拼接正射影像圖，給最終全景正射影像圖指定文件和其需要的擴展名，然后選擇柵格數(shù)據(jù)的空間坐標系統(tǒng)，再設(shè)置像元大小和波段數(shù)，其它參數(shù)根據(jù)需要選取，最后點擊確定即可完成全景正射影像圖快速拼接。

3.3 數(shù)字線劃圖（DLG）制作

數(shù)字線劃圖（DLG，Digital Line Graphic）是既含有地形輪廓線又可以查詢其相應(yīng)屬性的一種測繪地形圖產(chǎn)品。由于數(shù)字線劃圖（DLG）含有豐富、完整的信息，其在規(guī)劃設(shè)計、分析等方面，起著非常重要的作用。這也是地形圖最終與正射影像圖（DOM）疊加形成外業(yè)調(diào)繪圖的重要組成部分。

實驗中利用Context Capture 生成三維模型，將其導(dǎo)入清華山維（EPS）三維測圖軟件中進行地物要素采集，然后用CASS7.1 進行編輯，制作數(shù)字線劃圖（DLG），并與用RTK 測量的地形圖進行比對分析。利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)制作的數(shù)字線劃圖（DLG）、RTK 測量的地形圖、兩產(chǎn)品疊加圖如圖9、圖10、圖11 所示（彩圖掃OSID 碼可見）。

通過對比分析，得出如下結(jié)論：①為了方便對比，兩種產(chǎn)品只保留了道路、水渠、建筑物等主要地物，并將RTK 測量成圖全部改為綠色，無人機傾斜攝影測量技術(shù)制作的數(shù)字線劃圖（DLG）改為紅色，然后將二者進行疊加，可以看出綠色基本覆蓋了紅色，部分可見紅色線條是利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)制作的數(shù)字線劃圖（DLG）比RTK 多采集的地物信息；②利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)制作的數(shù)字線劃圖（DLG）更加全面、詳實，主要表現(xiàn)在對建筑物屬性判別、農(nóng)作物類別區(qū)分以及農(nóng)用地是否閑置等方面；③繪圖更加專業(yè)、精細、準確、美觀，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)制作的數(shù)字線劃圖（DLG）更加準確，線條更光滑，而RTK 由于采集的地物特征點有限，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)繪圖連接點后與實際地物外形存在偏差。

Fig.9 DLG acquired by UAV photography圖9 無人機攝影獲取的DLG

Fig.10 Measurement by RTK圖10 RTK 測量成圖

Fig.11 The superposition chart of the two products圖11 兩產(chǎn)品疊加圖

3.4 精度對比分析

實驗中用三維模型幾何質(zhì)量評價方法中的“基于點評價a”對建模精度進行評估［19-20］。該方法是將點作為三維模型中最基礎(chǔ)的單元，用點的精度直接反映建模精度。其數(shù)學(xué)原理是隨機選取幾個點，得到三維模型的角點坐標串如式（3）所示。

與之對應(yīng)的RTK 測量值坐標串如圖（4）所示。

計算得到點與點之間的距離差值如式（5）所示。

則三維模型點和RTK 之間的距離偏移均值為a，即三維模型基元點的精度值如式（6）所示。

實驗中主要對帶狀供水管線中的地形進行研究，因此選取3 類重要地物點，分別是道路交線點（L）7 個、田間小水池角點（C）6 個、田間灌溉水渠角點（Q）5 個，共18 個點。根據(jù)式（3）—式（5）計算出a（L）=0.042m，a（C）=0.050m，a（Q）=0.043m，其中，a（L）的詳細計算過程如表2 所示，a（C）和a（Q）計算與a（L）計算過程完全相似，故直接寫出最后結(jié)果值。從基元點結(jié)果看，精度都在厘米級，滿足CH/Z3004-2010 低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［21］。

Table 2 Calculation process of primitive point a（L）of road intersections表2 道路交叉點基元點a（L）計算過程

4 結(jié)語

本文通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生成、產(chǎn)品制作與分析、精度比對分析等，得出令人滿意的三維模型、DOM、DSM、DLG 產(chǎn)品等；通過與RTK 測量成果對比，利用無人機攝影測量技術(shù)制作的數(shù)字線劃圖（DLG）更加全面、準確；通過對建模精度進行分析，得出道路交線點、田間小水池角點、田間灌溉水渠角點三維模型基元點的精度值分別為0.042m、0.050m、0.043m。綜上，將無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于1：500 大比例尺帶狀地形測圖中，能夠滿足測圖要求。

本文不足之處是雖然初步利用消費級無人機測量帶狀地形圖，精度達到要求，但選取的僅是試驗區(qū)地形平坦地形，未涉及高差大、有懸崖和溝谷、森林茂密等復(fù)雜地形的區(qū)域。下一步研究重點將主要針對一些復(fù)雜的地形區(qū)域進行消費級無人機傾斜攝影測圖應(yīng)用研究。