免像控大疆精靈4 RTK無人機(jī)在數(shù)字校園測圖中的應(yīng)用

藺建強(qiáng)，甘淑，袁希平，王睿博

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南省高校高原山區(qū)空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南 昆明 650093； 3.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，云南 大理 671009)

1 引 言

地形圖的發(fā)展歷史悠久，是一個(gè)國家的重要基礎(chǔ)地理信息成果。小到出行，大到城市規(guī)劃、資源調(diào)查都離不開地形圖。在表現(xiàn)形式上，地形圖從紙質(zhì)發(fā)展到電子地圖。在測量方式上經(jīng)歷了由傳統(tǒng)測量生產(chǎn)體系向數(shù)字化測量生產(chǎn)體系的轉(zhuǎn)變[1]。全站儀，即全站型電子速測儀(Electronic Total Station)、GPS-RTK、地面三維激光掃描技術(shù)(TLS)等新技術(shù)的出現(xiàn)，給地形圖的測量帶來了革命性的改變，大大提高了作業(yè)效率和測量精度。航空攝影測量技術(shù)、衛(wèi)星測圖將地形圖的測量方式發(fā)展為天、空的測量模式。但由于各種原因，如成本高、成圖周期長、精度還不能滿足大比例尺地形圖的要求等，這也為以無人機(jī)為平臺的低空攝影測量技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生提供了契機(jī)。憑借著機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、高分辨率等優(yōu)越性，借助于地面控制點(diǎn)便可完成大比例尺地形圖測繪。但由于其仍然需要外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)，耗費(fèi)大量人力物力，許多學(xué)者致力于免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測圖的研究，取得了可觀成效。文獻(xiàn)[2]利用天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)對 1∶500地形圖測圖的可行性進(jìn)行研究，獲取了高分辨率的正射影像圖(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)，精度評定的平面點(diǎn)位中誤差為 0.049 m，高程中誤差為 0.059 m。文獻(xiàn)[3]以校園作為研究區(qū)對免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的可行性和精度進(jìn)行驗(yàn)證，利用Context Capture三維建模軟件和清華山維EPS三維測圖軟件繪制了校園的地形圖和建筑單體模型，通過抽樣檢查得到平面點(diǎn)位中誤差為 0.034 m，高程點(diǎn)位中誤差為 0.017 m，可用于 1∶500地形圖的生產(chǎn)。文獻(xiàn)[4]在新能源發(fā)電場的地形圖測繪中應(yīng)用了免像控?zé)o人機(jī)航測技術(shù)，檢查點(diǎn)平面中誤差為 0.068 m，高程中誤差為 0.093 m，精度滿足其工程測圖需求。文獻(xiàn)[5]利用天狼星免像控?zé)o人機(jī)航測系統(tǒng)對棚戶區(qū)進(jìn)行了 1∶500的數(shù)字線劃圖(DLG)的生產(chǎn)，通過外業(yè)實(shí)地檢測，平面中誤差為 0.281 m，高程中誤差為 0.142 m，符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。文獻(xiàn)[6]利用天狼星無人機(jī)、AgisoftPhotoScan三維建模軟件、清華山維EPS2008三維測圖軟件生成數(shù)字高程模型(DEM)、正射影像圖(DOM)、點(diǎn)云等成果數(shù)據(jù)，并制作了 1∶500地形圖。通過對免像控?zé)o人機(jī)獲取影像制作的地形圖和有像控?zé)o人機(jī)獲取影像制作的地形圖進(jìn)行對比分析，其平面中誤差和高程中誤差的差值分別為 0.023 m和 0.026 m，證實(shí)了免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地形圖測圖的可行性。文獻(xiàn)[7]基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行數(shù)字校園三維建模，并與傳統(tǒng)的三維建模方法進(jìn)行了對比分析，得出無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以快速獲取和重建三維模型。文獻(xiàn)[8]采用多旋翼無人機(jī)搭載5鏡頭對校園進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建，運(yùn)用Context Capture三維建模軟件和DP-Modeler模型精細(xì)化軟件，成功構(gòu)建了校園三維實(shí)景模型。文獻(xiàn)[9]采用六旋翼無人機(jī)和5鏡頭傾斜相機(jī)實(shí)證了利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建校園三維模型是滿足三維數(shù)字校園建設(shè)的需要。文獻(xiàn)[10]對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在大比例尺地形圖測圖的可行性進(jìn)行了實(shí)踐論證。此外，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)還應(yīng)用到礦山監(jiān)測中[11]、古建筑保護(hù)[12]、滑坡監(jiān)測[13]。文獻(xiàn)[14]詳細(xì)全面介紹了無人機(jī)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、考古和建筑學(xué)、環(huán)境、交通等領(lǐng)域無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。綜上所述，依靠少量地面像控點(diǎn)，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可以基本滿足相關(guān)行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用要求，但是在林業(yè)、冰川、沼澤地、泥石流滑坡、高山懸崖地形等布設(shè)像控點(diǎn)困難的應(yīng)用領(lǐng)域，免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究顯得尤為重要和具有研究意義。因此，本文利用大疆精靈4 RTK無人機(jī)免像控采集了昆明理工大學(xué)蓮華校園的無人機(jī)影像，借助Context Capture三維建模軟件和SV365三維測圖軟件裸眼生產(chǎn)數(shù)字校園地形圖，并采用全站儀對其測量精度進(jìn)行了檢查。結(jié)果證明大疆精靈4 RTK無人機(jī)能達(dá)到免像控校園數(shù)字化快速測圖的要求。

2 大疆精靈4 RTK無人機(jī)及數(shù)據(jù)采集

2.1 大疆精靈4 RTK無人機(jī)

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一種機(jī)上無人駕駛的航空器，其具有動(dòng)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(jì)算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行[15]。無人機(jī)航測系統(tǒng)主要包括飛行平臺、載荷傳感器系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[16]。大疆精靈4 RTK無人機(jī)平臺參數(shù)和相機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1、表2所示：

大疆精靈4RTK無人機(jī)平臺參數(shù) 表1

大疆精靈4RTK無人機(jī)相機(jī)參數(shù) 表2

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分主要包括實(shí)地踏勘、航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)置、飛行數(shù)據(jù)檢查等。實(shí)地踏勘是對飛行區(qū)域進(jìn)行熟悉，從而了解其環(huán)境的復(fù)雜程度，以便準(zhǔn)確確定后期的飛行參數(shù)設(shè)置。如航高、航向重疊度和旁向重疊度等。航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)置根據(jù)大疆精靈4 RTK無人機(jī)自帶航線規(guī)劃軟件進(jìn)行規(guī)劃與參數(shù)設(shè)置。有關(guān)飛行參數(shù)如下：航高 80 m；航向重疊度80%、旁向重疊度80%；天氣為陰天；單鏡頭傾斜60°飛行5個(gè)架次，用時(shí)約 25 min，共獲取433張相片。飛行數(shù)據(jù)檢查是檢查獲取影像的質(zhì)量、數(shù)據(jù)是否完整等。

3 ContextCapture+SV365一體化內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 ContextCapture三維建模

由于采用免像控?zé)o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，在利用ContextCapture進(jìn)行三維建模時(shí)省去了刺點(diǎn)，直接導(dǎo)入影像，設(shè)置傳感器尺寸和焦距大小，檢查影像文件的完整性。然后提交空中三角測量，完成后點(diǎn)擊新建重建項(xiàng)目，如果影像很大的話，要在空間框架中進(jìn)行切塊設(shè)置后提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，最終生成三維模型，由于生成的三維模型要導(dǎo)入到SV365三維測圖軟件中，所以提交新的項(xiàng)目時(shí)要將最終的三維模型格式設(shè)置為osgb格式。此外，在完成空中三角測量的基礎(chǔ)上可按照需要快速生成三維點(diǎn)云、正射影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)等測繪產(chǎn)品。ContextCapture三維建模流程圖如圖1所示：

圖1 ContextCapture三維建模流程圖

三維模型如圖2所示：

圖2 三維模型

3.2 SV365三維數(shù)據(jù)采集

打開SV365三維測圖軟件，選擇SV365工作空間的三維測圖模塊，將格式為osgb的三維模型導(dǎo)入SV365三維測圖軟件，然后對三維測圖參數(shù)設(shè)置。有兩種設(shè)置方式，一種是直接對三維建模的格式為XML的文檔metadata的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。另一種是在三維測圖模塊下的三維設(shè)置進(jìn)行，如圖4所示。圖5是利用SV365繪圖面板下的居民地繪制的圖書館。

圖3 metadata參數(shù)設(shè)置

圖4 三維測圖參數(shù)設(shè)置

圖5 SV365繪制的圖書館

4 精度評定

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，全站儀的測量精度是高于RTK測量精度的，因此，文章采用國產(chǎn)的蘇州一光全站儀進(jìn)行了檢查點(diǎn)測量，儀器設(shè)備和精度如下。全站儀一臺：型號，RTS332SR5B；精度：±(2+2×10-6×D)mm；腳架一副，三腳對準(zhǔn)桿一副，棱鏡一個(gè)。由于采集數(shù)據(jù)范圍小，校園地形平坦，所以僅測量10個(gè)檢測點(diǎn)。檢查點(diǎn)分布如圖6所示：

圖6 檢查點(diǎn)分布圖

從表4的坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)表中可以看出檢核點(diǎn)平面點(diǎn)位較差最大值為 0.059 m，最小值為 0.011 m，平面點(diǎn)位中誤差為 0.037 m，根據(jù)規(guī)范《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1∶500、 1∶1 000、 1∶2 000數(shù)字線劃圖》[17]，在平地、丘陵地區(qū)，1∶500比例尺的數(shù)字正射影像圖明顯地物點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)大于 0.3 m，平面精度符合規(guī)范要求。檢核點(diǎn)高程點(diǎn)位較差最大值為 0.047 m，最小值為 0.008 m，高程點(diǎn)位中誤差為 0.035 m，根據(jù)規(guī)范《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果 1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字線劃圖》，在平地、丘陵地區(qū)， 1∶500比例尺的數(shù)字正射影像圖明顯地物點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)大于 0.2 m，高程精度符合規(guī)范要求。

坐標(biāo)檢核統(tǒng)計(jì)表 表3

坐標(biāo)檢核統(tǒng)計(jì)表 表4

5 結(jié) 論

本文采用大疆精靈4 RTK無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，獲取校園影像數(shù)據(jù)，利用ContextCapture三維建模軟件進(jìn)行了數(shù)字校園三維建模，得到了較好的三維模型。使用SV365三維測圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，繪制了圖書館的數(shù)字線劃圖(DLG)，并用蘇州一光全站儀測量檢核點(diǎn)與SV365采集的影像同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精度比對，得出了平面點(diǎn)位中誤差為 0.037 m，高程點(diǎn)位中誤差為 0.035 m，精度均符合規(guī)范要求。不足之處是用ContextCapture三維建模軟件建立的三維模型不能單體化。另外影像采集范圍較小，地形平坦，后期主要將自然地形復(fù)雜的地形地貌作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，比如泥石流溝谷跡地、高山峽谷地帶等進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的研究與應(yīng)用。隨著人工智能時(shí)代的到來，相信無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)會更高精度和更智能化。更好地服務(wù)測繪基礎(chǔ)行業(yè)，如公路測量、水庫大壩監(jiān)測、礦山測量、低空遙感數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域。