李鑫龍，李偉明，張清民

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130000)

無人機(UAV)航測技術是近年來發(fā)展起來的快速獲取高分辨率影像的測繪新技術[1]，其具有低成本、高效率和高分辨率等特點，在農(nóng)林作業(yè)、工業(yè)測量、土地資源調(diào)查、智慧城市、三維實景、城市規(guī)劃與農(nóng)村土地確權(quán)等方面得到了廣泛的應用[2]，特別是在地形復雜、人員難以進駐地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)獲取方面擁有獨特優(yōu)勢。

近年來，國內(nèi)外研究學者在無人機航測領域取得了豐碩的研究成果。薛永安等利用無人機系統(tǒng)快速測繪了礦區(qū)內(nèi)的大比例尺地形圖[3]；嚴慧敏等描述了無人機航測系統(tǒng)在水利工程中的應用[4];王湘文等應用低空無人機攝影測量系統(tǒng)，制作了1∶2000地形圖并進行了精度驗證，取得了一定進展[5]；Watts等將低空無人機航測系統(tǒng)應用于生態(tài)系統(tǒng)檢測中[6]；Lewycky等應用無人機技術進行自然災害調(diào)查，成功估算出洪水淹沒范圍[7]；Merino等將多種傳感器搭載在無人機系統(tǒng)中，實現(xiàn)了目標區(qū)域的動態(tài)監(jiān)測[8]。

目前傳統(tǒng)航測作業(yè)存在很多不完善之處，如相機相幅較小、影像畸變差較大，需要大量的相控點來約束生成數(shù)據(jù)的精度[9]。生成的數(shù)據(jù)大多是傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，耗費人力物力的同時也將成果應用局限在測繪專業(yè)人員范圍內(nèi)。本研究采用天狼星無人機攝影測量系統(tǒng)，應用免相控航測技術進行測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)，不僅完成了測區(qū)內(nèi)1∶2000比例尺DOM、DEM、DLG數(shù)據(jù)的制作，而且實現(xiàn)了測區(qū)內(nèi)三維建模的生成。經(jīng)過精度驗證，數(shù)據(jù)符合測繪成圖規(guī)范要求。此次研究方法在今后不僅可以為設計施工單位提供基礎數(shù)據(jù)，而且在項目前期可研階段提供幫助。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省西北部，區(qū)域面積約6 km2，山地丘陵地形，植被茂盛，多為闊葉林。氣候為北溫帶大陸性季風氣候，溫差較大，四季分明。項目要求繪制測區(qū)內(nèi)1∶2000地形圖，同時生產(chǎn)DOM與DEM數(shù)據(jù)。為配合設計施工部門工作，制作測區(qū)三維數(shù)據(jù)模型。

2 航測技術流程

項目選用天狼星Sirius Pro無人機作為航測平臺，主要由硬件設備、影像處理系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成[10]，搭載Sony RX1R2型號數(shù)碼相機，具有良好穩(wěn)定的氣動性能與操作性能。地面站系統(tǒng)采用MAVinci Desktop軟件系統(tǒng)進行任務航路規(guī)劃等地面工作。飛行計劃主要參數(shù)見表1。

表1 飛行計劃參數(shù)

2.1 航線設計

航向覆蓋超出邊界線不少于一條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于掃描寬度的30%。為保證高程精度，航片的航向重疊度設計為80%，旁向重疊度設計為55%，在保證航線覆蓋、重疊與地面分辨率的情況下，航線間隔根據(jù)測區(qū)地形進行確定。

2.2 航攝數(shù)據(jù)采集

飛行前，組織飛控員進行航線設計與安全管理培訓。起飛前嚴格按照飛行檢查單的要求進行飛前檢查，確保安裝和各項設置正確無誤。規(guī)定航攝期內(nèi)選擇天氣晴朗、大氣透明度好、光照充足的時間進行航攝工作。

采集后的相片數(shù)據(jù)進行飛行質(zhì)量檢查與攝影質(zhì)量檢查，檢查結(jié)果確定符合航空攝影測量規(guī)范要求后進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作。

2.3 數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

導出工程文件進行空中三角測量計算生產(chǎn)測區(qū)數(shù)字產(chǎn)品?？杖嬎銦o需多余相控點數(shù)據(jù)對模型進行干預。利用最新的多視圖三維重建技術，內(nèi)定向與三維模型重建實現(xiàn)全程自動化[11]，生成高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)、DEM與DOM數(shù)據(jù)。DOM如圖1所示，可以看出研究區(qū)內(nèi)的居民地、道路、植被土質(zhì)等地圖信息清晰可見。

圖1 研究區(qū)1∶2000 DOM數(shù)據(jù)

為獲取測區(qū)內(nèi)的DLG數(shù)據(jù)，新建地形模型。測圖系統(tǒng)采用裸眼3D技術生產(chǎn)加工DLG數(shù)據(jù)，該技術方法在打破傳統(tǒng)測圖方式的同時降低了對測圖人員的專業(yè)技術性要求。繪制地形圖以《國家基本比例尺地圖圖示第一部分：1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖示》為基礎進行表示，要求線劃信息美觀、完整、不可隨意打斷且屬性正確完整。圖層按居民地、道路、水系、等高線、植被、高程點、境界等分類采集整理。

2.4 三維建模

生產(chǎn)加工得到的DLG數(shù)據(jù)作為4D產(chǎn)品之一，可以較全面地描述地表現(xiàn)象，為專業(yè)測繪單位空間分析與決策提供數(shù)據(jù)支持。但是對于一些非測繪專業(yè)人員，判讀有一定困難。三維模型數(shù)據(jù)可以很好地解決這一問題，其以直觀性、客觀性和真實性等特性,成為數(shù)字城市數(shù)據(jù)庫中的重要組成部分[12]。通過建立三維模型，可以使用戶對景觀與環(huán)境產(chǎn)生直觀的三維效果印象,因此該技術在旅游、測繪等行業(yè)有著廣泛的發(fā)展前景[13]。

利用Smart3D軟件制作三維模型，需要利用導出項目文件中的POS數(shù)據(jù)和航攝相片。系統(tǒng)采用的是雙頻雙星技術，保證了無人機在飛行過程中獲得厘米級別的精確度，實現(xiàn)無人機在飛行過程中記錄每個曝光點的空間位置坐標，并且每一張相片位置信息都具有RTK的固定解精度，從而在三維建模時不需要輸入相控點，只需輸入POS數(shù)據(jù)進行位置定位。建立空三關系模型，運算工程后最后輸出三維模型，如圖2所示?？梢钥闯龅乩頂?shù)據(jù)從傳統(tǒng)的二維平面圖的表達方式轉(zhuǎn)換為以三維立體的方式顯示[14]，生成模型可以清楚地顯示被植被隱藏的道路、電線桿等地物信息。施工設計部門可以準確計算土方量，得到相應的平面圖、剖面圖。

圖2 研究區(qū)三維模型

3 精度分析與效率對比

精度分析是制作地形圖必不可少的環(huán)節(jié)，以便判定制作地形圖是否滿足國家規(guī)范要求[15]。為了驗證模型精度，計算生產(chǎn)數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的平面與高程中誤差，即

式中，m表示數(shù)據(jù)中誤差，單位為m；Δ表示檢查點的不符值，單位m;n表示評定精度的點數(shù)。

檢查點利用RTK實測獲得，包括房角、道路轉(zhuǎn)折點、稻田轉(zhuǎn)角等，結(jié)果見表2。

表2 生產(chǎn)1∶2000地形圖精度分析表

經(jīng)過計算，平面中誤差為0.086 m，高程中誤差為0.127 m，滿足《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》精度要求。為了檢驗天狼星航測系統(tǒng)的工作效率，研究采用航測方法與傳統(tǒng)RTK測圖方法同時同地作業(yè)的方式進行驗證。航空攝影測量方法工作時間8 d，其中包括外業(yè)數(shù)據(jù)獲取1 d、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理成圖7 d，完成DEM、DOM、DLG數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作，成圖面積6.351 5 km2。傳統(tǒng)RTK測圖方法8 d內(nèi)測圖面積為1.5 km2。對比分析可知，無人機航測方法作業(yè)提升率約為70%。因此利用天狼星無人機航測系統(tǒng)進行航測，不僅提高了工作效率，而且減少了外業(yè)工作量。

4 結(jié) 語

天狼星無人機測量系統(tǒng)不僅可以應用于大比例尺3D數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)加工中，而且可以在基建項目可研階段的三維數(shù)據(jù)模型制作中發(fā)揮重要作用。天狼星無人機測量系統(tǒng)打破傳統(tǒng)航測工作模式，在沒有地面相控點的情況下，生產(chǎn)數(shù)據(jù)滿足測量規(guī)范的精度要求，在提高測繪工作效率的同時，也為施工設計部門提供了精確的基礎數(shù)據(jù)，對今后水利水電、土地確權(quán)、城鄉(xiāng)建設等工作的開展起到積極作用。