摘要

地形測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜而且系統(tǒng)化的測(cè)量作業(yè)任務(wù)，航空攝影測(cè)量已經(jīng)占據(jù)地形測(cè)量的主戰(zhàn)場(chǎng)，然而傳統(tǒng)的航攝系統(tǒng)不僅成本高對(duì)天氣、空管調(diào)度等作業(yè)條件要求苛刻，而且對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求也非常高，作業(yè)周期無法保證，制約著航空攝影測(cè)量的快速發(fā)展與普及。無人機(jī)航攝系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航攝系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，以其機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、節(jié)約人力成本等優(yōu)勢(shì)在航攝領(lǐng)域迅速得到廣泛應(yīng)用。本文以天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)在內(nèi)蒙古某露天礦地形測(cè)量項(xiàng)目為例，在無需地面控制點(diǎn)的情況下完成DOM、DEM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)任務(wù)，通過精度分析實(shí)現(xiàn)了大比例尺地形圖測(cè)制的精度要求，為地形復(fù)雜，工作人員無法進(jìn)入實(shí)地測(cè)量的地形測(cè)量工程項(xiàng)目提供了很好的借鑒。

引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,地形測(cè)繪手段已由純?nèi)斯げ杉c(diǎn)位數(shù)據(jù)發(fā)展為航空攝影來獲取和更新地形圖以及地理信息數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)航攝方式由于成本高、對(duì)天氣、空管調(diào)度難等作業(yè)條件限制，不適合小范圍地形圖數(shù)據(jù)采集與更新作業(yè)，然而基于無人機(jī)平臺(tái)的航攝系統(tǒng)顯示出靈活機(jī)動(dòng)、高效快捷、響應(yīng)能力強(qiáng)、作業(yè)成本低的特有優(yōu)勢(shì)，特別適用于小區(qū)域和應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取。因此，從地形測(cè)繪工作質(zhì)量與效率提升的層面考慮，本文以天狼星航攝系統(tǒng)在內(nèi)蒙某礦區(qū)地形測(cè)量工程的應(yīng)用出發(fā)，在無需地面像控點(diǎn)的情況下完成DOM、DEM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)任務(wù)，并進(jìn)行精度分析，其實(shí)際測(cè)量精度滿足大比例尺礦區(qū)等復(fù)雜地形圖精度要求。

1天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1內(nèi)置高頻RTK接收模塊，實(shí)現(xiàn)免像控航攝

在傳統(tǒng)航攝作業(yè)模式下，布設(shè)地面圖像控制點(diǎn)是一項(xiàng)必不可少的工序，不僅占用著項(xiàng)目的人力物力，同時(shí)占用著項(xiàng)目至少30%的工期，如果在無人區(qū)，沒有明顯特征點(diǎn)的方位物或者地形復(fù)雜的地區(qū)，像控就成了制約航攝的瓶頸，在當(dāng)前地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中經(jīng)常遇到工作人員進(jìn)入困難甚至無法人工進(jìn)入作業(yè)的情況，這將大大增加項(xiàng)目開支并延長(zhǎng)項(xiàng)目工期。在傳統(tǒng)航攝由于云層遮擋等原因造成的空白區(qū)，要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力物力進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，這樣往往是要損失測(cè)繪精度的代價(jià)才能完成。

天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng)采用地面基站模式，機(jī)身上搭載著100HZ刷新率的 GPS RTK裝備，在航飛的同時(shí)即可實(shí)時(shí)獲取高精度無人機(jī)定位信息，該定位信息不僅用于無人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航與飛行姿態(tài)調(diào)整，而且能保證在航拍的同時(shí)獲取高精度POS信息。具有RTK固定解精度的POS信息使得每張照片攝影瞬間攝影中心、照片、地面(地物)之間具備高精度的方位元素信息，從而實(shí)現(xiàn)免像控狀態(tài)下平面精度、高程精度能夠滿足大比例尺地形測(cè)量的要求。

實(shí)驗(yàn)區(qū)航拍曝光點(diǎn)位分布圖/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

1.2MAVinci Desktop制定飛行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)智能化航飛計(jì)劃管理

MAVinci Desktop可以提前根據(jù)測(cè)區(qū)范圍制定飛行計(jì)劃，同時(shí)根據(jù)測(cè)區(qū)需要由作業(yè)者臨時(shí)指定目標(biāo)區(qū)域和指定期望的GSD進(jìn)行創(chuàng)建飛行計(jì)劃。作業(yè)者可以根據(jù)實(shí)際需要通過點(diǎn)選范圍快速制作飛行計(jì)劃、模擬飛行、優(yōu)化調(diào)整等操作。在地形高低起伏較大的情況下，無人機(jī)可以根據(jù)地形起伏自適應(yīng)改變飛行高度，既能保證無人機(jī)飛行安全也能保證影像重疊度，確保影像獲取的質(zhì)量。

MAVinci Desktop采用高集成化一鍵設(shè)計(jì)飛行計(jì)劃，只要輸入想要的作業(yè)精度值(GSD)，導(dǎo)入作業(yè)范圍文件便可以實(shí)現(xiàn)航線自動(dòng)劃分，飛行高度自適應(yīng)，自動(dòng)設(shè)定飛行帶寬及重疊率等技術(shù)參數(shù)，大大提高了工作效率。

點(diǎn)選范圍點(diǎn)快速實(shí)現(xiàn)模擬飛行計(jì)劃/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

1.3AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測(cè)量與建模軟件實(shí)現(xiàn)航拍成果快速輸出

天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng)采用的AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測(cè)量與建模軟件進(jìn)行空三加密。AgiSoft PhotoScan Pro允許生產(chǎn)高分辨率正射影像和極其精細(xì)的DEM/紋理多邊形模型，同時(shí)無需設(shè)置初始值，無需相機(jī)校準(zhǔn)，完全自動(dòng)化的操作流程可以讓一個(gè)非專業(yè)人員在桌面電腦上處理數(shù)以千計(jì)的航空像片并生產(chǎn)專業(yè)級(jí)的航攝測(cè)量數(shù)據(jù)。AgiSoft PhotoScan Pro數(shù)據(jù)支持幾乎所有的市場(chǎng)上面向無人機(jī)數(shù)據(jù)處理的解決方案與軟件程序。

內(nèi)蒙礦區(qū)試驗(yàn)區(qū)實(shí)現(xiàn)4架次共計(jì)3小時(shí)飛行，有效作業(yè)面積4.6km2，1460張圖片，12小時(shí)全自動(dòng)空三加密、一鍵生成DOM、DEM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)，2小時(shí)自動(dòng)提取點(diǎn)云高程點(diǎn)并生成等高線。整個(gè)項(xiàng)目一個(gè)作業(yè)小組3人在3天時(shí)間內(nèi)輕松完成。

2.工程實(shí)施

2.1工程概況及航飛參數(shù)設(shè)定

項(xiàng)目要求：獲取高精度地表數(shù)字高程模型用于礦區(qū)土石方量計(jì)算與開挖設(shè)計(jì);工程概況：測(cè)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°09′-106°10′，北緯40°37′-40°39′內(nèi);測(cè)區(qū)面積4.6km2;平均海拔1650m，最低海拔1580m，最高處1720m。該測(cè)區(qū)地形起伏較大，崎嶇不平，地表裸露無高大植被覆蓋，屬于典型的戈壁地貌，采用常規(guī)無人機(jī)航測(cè)方式缺少明顯特征地物用于像控點(diǎn)布設(shè)或采集，同時(shí)高程精度也難于保證，因此選擇天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝作業(yè)方案。

實(shí)地工作環(huán)境為最高溫度4℃，氣溫較低，為保證無人機(jī)自身安全，續(xù)航時(shí)間設(shè)定為35分鐘，在MAVinci Desktop飛行計(jì)劃軟件中自動(dòng)劃分4個(gè)飛行時(shí)段，選擇兩處起降場(chǎng)地。其他參數(shù)設(shè)定為GSD地面采樣間隔8cm，自適應(yīng)地形起伏模式，相對(duì)飛行高度340m;航向重疊度80%，旁向重疊度65%。

2.2無人機(jī)航攝系統(tǒng)測(cè)制地形圖工作流程

無人機(jī)航攝復(fù)雜地形(內(nèi)蒙測(cè)區(qū))工作流程圖/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

本工程采用的航線設(shè)計(jì)、航飛和影像快速拼接都在MAVinci Desktop程序下完成，AgiSoft PhotoScan Pro程序?qū)崿F(xiàn)了快速空三直接生產(chǎn)DOM、DEM及點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Global Mapper軟件，利用3D矢量創(chuàng)建高程網(wǎng)格，自動(dòng)生成1m基本等高距的等高線地貌數(shù)據(jù);部分地形矢量數(shù)據(jù)通過EPS虛擬測(cè)圖軟件進(jìn)行采集獲取。

2.3檢測(cè)靶標(biāo)及檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

由于測(cè)區(qū)內(nèi)沒有明顯特征地物點(diǎn)用于精度檢測(cè)，航測(cè)開始前在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)噴繪多處30cm*30cm十字檢測(cè)靶標(biāo)，以其中心作為檢測(cè)點(diǎn)。點(diǎn)位布設(shè)情況：設(shè)立在石質(zhì)地表檢測(cè)點(diǎn)6個(gè)，土質(zhì)地表檢測(cè)點(diǎn)11個(gè)，草皮檢測(cè)點(diǎn)3個(gè)，另有簡(jiǎn)易房房角檢測(cè)點(diǎn)1個(gè)，共計(jì)21個(gè)點(diǎn)位，除房角1點(diǎn)位和草皮3點(diǎn)位僅作為平面精度檢測(cè)外，其余17點(diǎn)位可作平面、高程精度檢測(cè)。

使用礦區(qū)內(nèi)D級(jí)GPS控制網(wǎng)的控制點(diǎn)作為控制基礎(chǔ)，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，為了保證檢測(cè)點(diǎn)自身精度，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三次測(cè)量，取差值小的坐標(biāo)值的平均值作為最終成果。

3.礦區(qū)地形測(cè)量精度分析

在當(dāng)前無人機(jī)航攝技術(shù)水平上，主流的航攝系統(tǒng)平面精度比較容易滿足限差要求，本文不再比較，僅對(duì)高程精度進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，平坦地區(qū)的高程注記點(diǎn)對(duì)于鄰近圖根控制點(diǎn)的高程中誤差不得超過7cm。一般高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不得超過15cm。其余地區(qū)按等高線內(nèi)插點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差來衡量，按地形類別劃分不得超過表1的規(guī)定。

表1 不同地形類別高程中誤差標(biāo)準(zhǔn)/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

DEM平面檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度最小值0.021m，最大值0.362m，平均值0.135m，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差0.162m，允許中誤差0.25m。經(jīng)分析，無人機(jī)航攝精度可以滿足礦區(qū)1:500復(fù)雜地形圖測(cè)量精度要求。

Global Mapper軟件提取DEM地貌數(shù)據(jù)/圖 來源網(wǎng)絡(luò)

4. 結(jié)束語

本次無人機(jī)航攝案例展示出復(fù)雜地形條件測(cè)繪大比例尺地形圖的優(yōu)勢(shì)，充分說明小型無人機(jī)已經(jīng)成為一種成熟的新型低空航攝體系，可作為中高空航攝的有效補(bǔ)充，在工程測(cè)量領(lǐng)域完成高精度地形圖測(cè)制工作。天狼星小型無人機(jī)航攝系統(tǒng)配備的高集成化得軟件處理程序?qū)崿F(xiàn)了地形圖作業(yè)流程化，模塊化，大大節(jié)省了外業(yè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)采集工作量，縮短了工期;同時(shí)，“簡(jiǎn)約式”的工作流程，為測(cè)制單位節(jié)省了員工培訓(xùn)成本，簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可以完成專業(yè)人員關(guān)于地形圖外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作。已經(jīng)成為全野外數(shù)字化傳統(tǒng)測(cè)量手段的又一次革新，特別是在人工無法到達(dá)或者難于測(cè)繪的復(fù)雜地形區(qū)域，高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高精度數(shù)字高程模型為土石方測(cè)算等提供了更加精細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)量手段。高精度智能無人機(jī)的應(yīng)用不僅突破了傳統(tǒng)航測(cè)理論束縛，顛覆了傳統(tǒng)測(cè)量概念，而且超凡脫俗的作業(yè)模式、所見即所得的作業(yè)效果更是引起測(cè)繪行業(yè)的重大變革，實(shí)現(xiàn)了有限測(cè)量數(shù)據(jù)到海量數(shù)據(jù)的獲取，可以在眾多高精度測(cè)繪領(lǐng)域拓展應(yīng)用。為地形復(fù)雜，工作人員無法進(jìn)入實(shí)地測(cè)量的地形測(cè)量工程項(xiàng)目提供了很好的借鑒。