趙羅明

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，無(wú)人 機(jī)測(cè)圖精度一直以來(lái)都是航測(cè)工作關(guān)注的重點(diǎn)。 測(cè)圖精度與所使用的無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性和機(jī)載設(shè)備精度密切相關(guān)[1-2]。 現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)測(cè)圖多沿用傳統(tǒng)航測(cè)模式作業(yè)，即外業(yè)根據(jù)成圖比例布設(shè)地面像控點(diǎn)，內(nèi)業(yè)空三加密后進(jìn)行立體矢量采集[3]。 然而，傳統(tǒng)航測(cè)模式工序多、周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足快速制圖需求。 隨著機(jī)載高精度POS 系統(tǒng)的小型化與集成化，為其在小型無(wú)人機(jī)上應(yīng)用提供了便利[4]；GPS 技術(shù)引入航空攝影測(cè)量中，也大大減少了外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量[5]，提高了外業(yè)效率。 隨著硬件設(shè)備精度的提高免像控技術(shù)逐步得到推廣[6]，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)出現(xiàn)較早的一款免像控?zé)o人機(jī)是拓普康天狼星固定翼無(wú)人機(jī)[7]，在水利河湖環(huán)境變化監(jiān)測(cè)及露天礦開采測(cè)繪領(lǐng)域都有應(yīng)用案例[8-9]。 固定翼無(wú)人機(jī)最大缺點(diǎn)是對(duì)起降場(chǎng)地要求較高，需要長(zhǎng)200 ～300 m 較平整的場(chǎng)地，這一缺點(diǎn)限制了其進(jìn)一步發(fā)展。 于是，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多旋翼免像控?zé)o人機(jī)，其無(wú)需起降跑道，起降場(chǎng)地選擇方便，其中大疆精靈Phantom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航測(cè)無(wú)人機(jī)，面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用，其自身具備5 個(gè)方向(前后左右下)的避障功能，可以超低空飛行，同時(shí)具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用[10]。 千尋網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已經(jīng)覆蓋國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)，部分鐵路在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段就提前建立了鐵路CORS 網(wǎng)絡(luò)，這也為網(wǎng)絡(luò)RTK 使用提供了便利。 對(duì)于無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域可以架設(shè)靜態(tài)基站，使用后差分處理(PPK)，這種模式適用于偏遠(yuǎn)的測(cè)繪山區(qū)無(wú)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域。

無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于鐵路勘測(cè)階段測(cè)繪、建設(shè)階段施工管理及運(yùn)維階段線路巡檢，鐵路勘測(cè)階段需獲取影像制作1 ∶2 000 地形圖，在此過(guò)程中，某些重要的控制性工點(diǎn)往往需要人工實(shí)測(cè)。 然而，這些工點(diǎn)多為車流量大的道路，常規(guī)人工測(cè)量有一定風(fēng)險(xiǎn)，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行非接觸測(cè)繪可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，使用該類型無(wú)人機(jī)航飛獲取重要工點(diǎn)的地形圖，再通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)檢核點(diǎn)驗(yàn)證其精度是否滿足規(guī)范要求。

1 無(wú)地面像控點(diǎn)攝影測(cè)量

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，早期的GPS 輔助空中三角測(cè)量現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為多星座GNSS 輔助空中三角測(cè)量，即通過(guò)獲取影像曝光點(diǎn)高精度三維位置信息，將其作為帶權(quán)非攝影測(cè)量觀測(cè)值并參與到區(qū)域網(wǎng)平差[11]。 引入的攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差模型[12]可利用統(tǒng)一的平差模型和算法，通過(guò)整體平差的方式，以達(dá)到代替(或減少)地面像控點(diǎn)的目的[13]。 實(shí)驗(yàn)表明，在1 個(gè)測(cè)區(qū)中的4 個(gè)角布設(shè)4 處平面高程控制點(diǎn)，且在測(cè)區(qū)兩端設(shè)計(jì)2 條高度比正常航高高的垂直構(gòu)架航線，可有效減少地面控制點(diǎn)。

圖1 為傳統(tǒng)航測(cè)空三加密流程，可通過(guò)圖像匹配、自由網(wǎng)平差、控制點(diǎn)輔助區(qū)域網(wǎng)平差實(shí)現(xiàn)。 若獲取的外方位元素與內(nèi)方位元素精度較高，則無(wú)需轉(zhuǎn)刺地面像控點(diǎn)。 因此，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航測(cè)免像控，需要高精度的航攝像片外方位元素與內(nèi)方位元素，二者缺一不可。

圖1 傳統(tǒng)航測(cè)空三加密流程

1.1 高精度外方位元素獲取

影像的外方位元素即通常所說(shuō)的影像POS 數(shù)據(jù)，由機(jī)載高精度GNSS 設(shè)備和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(IMU)設(shè)備獲取。 大疆精靈4RTK 無(wú)人機(jī)通過(guò)時(shí)間同步系統(tǒng)將影像曝光時(shí)刻的定位誤差控制在厘米級(jí)；與此同時(shí)，對(duì)相機(jī)鏡頭像主點(diǎn)位置和GNSS 天線中心點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)償，以減少位置系統(tǒng)誤差。 通過(guò)機(jī)載高頻GNSS 載波相位差分定位可以獲取厘米級(jí)空間位置信息，機(jī)載云臺(tái)記錄相機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)(側(cè)滾角、俯仰角和航偏角)，經(jīng)IMU 和GNSS 數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，可直接獲得測(cè)圖所需的每張像片的6 個(gè)外方位元素(3 個(gè)線元素與3 個(gè)角元素)[14]，就能夠?qū)崿F(xiàn)影像高精度定位與定姿。

1.2 高精度相機(jī)內(nèi)外方位元素獲取

內(nèi)方位元素是描述攝影中心與像片之間相關(guān)位置的參數(shù)，包括3 個(gè)參數(shù)，即攝影中心s、像片的垂距(主距)f 及像主點(diǎn)o 在框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)[15]，以上是建立測(cè)圖所需立體模型的基礎(chǔ)。 大部分無(wú)人機(jī)搭載的都是非量測(cè)相機(jī)，非量測(cè)相機(jī)拍攝的影像邊緣畸變較大。 大疆精靈4RTK 出廠前經(jīng)過(guò)廠家嚴(yán)格工藝校正，相機(jī)的內(nèi)方位元素參數(shù)寫在每張像片屬性中。 需要指出的是，相機(jī)在使用一段時(shí)間后，其內(nèi)方位元素會(huì)變化，需要定期對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。 相機(jī)出廠時(shí)參數(shù)見表1。

表1 大疆精靈4RTK 相機(jī)參數(shù)

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

某鐵路項(xiàng)目需跨越高速公路，工點(diǎn)位于華北平原，地勢(shì)平坦，平均海拔10 m。 跨越處高速公路車流量較大，若采用常規(guī)全野外數(shù)字化測(cè)圖，測(cè)量人員要往返跨越高速公路，危險(xiǎn)性較大，出于人身安全和工作效率考慮，決定采用免像控?zé)o人機(jī)航飛采集數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)裸眼3D 測(cè)圖。

項(xiàng)目測(cè)區(qū)平面坐標(biāo)系采用CGCS2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，中央子午線經(jīng)度為117°，高程系統(tǒng)采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。 項(xiàng)目初期建立勘測(cè)控制網(wǎng)，勘測(cè)控制網(wǎng)等級(jí)為鐵路四等GPS，高程控制網(wǎng)等級(jí)為四等水準(zhǔn)。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

航飛設(shè)備為大疆精靈4RTK 無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)搭載1 顆2 000 萬(wàn)像素相機(jī)，飛行過(guò)程中，飛機(jī)搭載自穩(wěn)定云臺(tái)使相機(jī)平穩(wěn)成像，并記錄相機(jī)曝光時(shí)刻姿態(tài)信息。

項(xiàng)目的生產(chǎn)流程包括3 部分:①航飛前規(guī)劃，包括測(cè)區(qū)既有地形資料的收集，既有控制網(wǎng)資料收集，航線預(yù)規(guī)劃；②影像數(shù)據(jù)獲取，包括飛機(jī)設(shè)備調(diào)試，起降點(diǎn)選取，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取，影像質(zhì)量檢查等；③內(nèi)業(yè)成圖，包括數(shù)據(jù)空三加密，矢量圖采集，成圖質(zhì)量檢查。

由于收集的既有地形圖比例為1 ∶2 000，精度不能滿足鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)要求(需提供1 ∶500 地形圖)。由于測(cè)區(qū)地形平坦無(wú)起伏，根據(jù)低空航空攝影測(cè)量規(guī)范要求，1 ∶500 地形圖航飛影像地面分辨率優(yōu)于5 cm，設(shè)計(jì)地面分辨率為2.75 cm，滿足規(guī)范要求，航飛高度與地面分辨率的關(guān)系為

式中，H 為航飛相對(duì)地面的高度/m；f 為焦距/mm；GSD 為地面分辨率/m；a 為像元尺寸/mm。 根據(jù)式(1)，可以得到航飛高度為100 m。

整個(gè)測(cè)區(qū)長(zhǎng)300 m，寬250 m，面積為0.075 km2，航飛當(dāng)天為晴天，風(fēng)速小于4 m/s，規(guī)劃航線6 條，飛行1 個(gè)架次，設(shè)置航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%。

采用后差分模式處理GNSS 數(shù)據(jù)，主要原因?yàn)棰夙?xiàng)目尚未建立鐵路CORS 網(wǎng)絡(luò)，千尋位置雖然能夠提供CGCS2000 國(guó)家坐標(biāo)系平面成果，但是不能提供1985 高程成果，無(wú)法滿足成圖要求；②后差分模式可以利用勘測(cè)控制網(wǎng)成果與GNSS 無(wú)約束平差成果求解7 參數(shù)，將后差分成果轉(zhuǎn)換為成圖坐標(biāo)系。 地面GNSS基站架設(shè)在控制點(diǎn)上，設(shè)備標(biāo)稱水平精度為±(5 mm+0.5 ppm)，高程標(biāo)稱精度為±(5 mm+1 ppm)，每個(gè)點(diǎn)量取儀器高度3 次，取平均值，采樣間隔設(shè)置為1 s，衛(wèi)星截止高度角為12°。

航飛獲取數(shù)據(jù)后下載影像數(shù)據(jù)，影像質(zhì)量檢查包括影像曝光情況、明暗是否合適、是否有漏拍現(xiàn)象，測(cè)區(qū)共獲取350 張影像。 測(cè)區(qū)范圍示意如圖2 所示。

圖2 測(cè)區(qū)范圍示意

2.3 高精度POS 數(shù)據(jù)處理

采用大疆精靈4 RTK 無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空數(shù)字航空攝影，內(nèi)業(yè)采用PIX4DMAPPER 制作高精度正射影像圖(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)，利用清華山維裸眼3D 測(cè)圖軟件進(jìn)行矢量采集。

首先將機(jī)載GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)與地面固定基站數(shù)據(jù)進(jìn)行后差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，地面基站坐標(biāo)采用GPS 控制網(wǎng)無(wú)約束平差，確定經(jīng)緯度和大地高，機(jī)載的移動(dòng)站要對(duì)天線進(jìn)行位置改正。 改正方法:以相機(jī)為中心，飛機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閅 軸正方向，垂直Y 軸向右為X 軸正方向，豎直向上為Z 軸正方向，將改正值輸入軟件進(jìn)行后差分處理。 其次通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算軟件求取GPS控制網(wǎng)無(wú)約束平差與CGCS2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，利用中央子午線經(jīng)度為117°投影坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算7 參數(shù)或平面4 參數(shù)加高程的擬合參數(shù)。 最后應(yīng)用轉(zhuǎn)換參數(shù)將差分后坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖坐標(biāo)系。

影像的姿態(tài)信息由飛控記錄并保存于影像屬性內(nèi)，通過(guò)將影像的姿態(tài)信息和位置信息一一對(duì)應(yīng)制作高精度POS 數(shù)據(jù)文件并用于空三加密處理。

2.4 空三處理

利用PIX4DMAPPER 進(jìn)行低空航攝影像數(shù)據(jù)處理，該軟件優(yōu)點(diǎn)在于高度集成化，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)空中三角測(cè)量，可全自動(dòng)生成正攝影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)。 軟件工作流程包括:初始化全自動(dòng)空三加密處理；匹配密集點(diǎn)云和紋理；生成DOM 和DSM。將坐標(biāo)轉(zhuǎn)后的POS 信息輸入軟件，POS 的精度將直接影響平差時(shí)權(quán)重。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，后差分的精度往往能達(dá)到2～3 cm，故將POS 精度設(shè)為2 cm。

但采用這種全自動(dòng)處理方法還無(wú)法獲得帶有精確地理定位的成果，為獲得高精度的成果，需將初始化處理中相機(jī)優(yōu)化選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。 由于使用的相機(jī)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格校準(zhǔn)，故保持相機(jī)出廠校準(zhǔn)的內(nèi)方位元素不變；因飛機(jī)的IMU 精度不高，獲取的影像姿態(tài)角精度沒有位置信息精度高，將對(duì)外方位元素中角元素進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)線元素不進(jìn)行優(yōu)化。 設(shè)置后初始化再進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量以及光束法局域網(wǎng)平差和相機(jī)自檢校計(jì)算。 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示。

圖3 內(nèi)業(yè)處理流程

2.5 構(gòu)建三維模型精度檢核

為了驗(yàn)證免像控?zé)o人機(jī)大比例測(cè)圖的可行性和精度可靠性，通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)來(lái)評(píng)定成圖精度。 在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻選取了11 個(gè)具有明顯特征的地面檢核點(diǎn)(平面檢查點(diǎn)選擇清晰可辨認(rèn)的地物點(diǎn)，高程檢查點(diǎn)選擇地勢(shì)平坦的路面點(diǎn))，檢查點(diǎn)均勻分布于成圖范圍內(nèi)。 外業(yè)檢核點(diǎn)均采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK 方法測(cè)量三維坐標(biāo)，設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量平面標(biāo)稱精度為±(8 mm+0.5ppm)，高程標(biāo)稱精度為±(15 mm+0.5ppm)。 利用清華山維EPS 平臺(tái)中三維測(cè)圖模塊，將生成的DOM及DSM 加載到EPS 平臺(tái)中生成三維模型，并在基于垂直攝影生成的實(shí)景模型上量取檢核點(diǎn)三維坐標(biāo)。

3 無(wú)人機(jī)成圖精度分析

通過(guò)后處理得到的DOM 和DSM 后，在正射影像上量測(cè)了均勻分布的11 個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并在DSM 上量測(cè)了對(duì)應(yīng)的高程，如圖4 所示。 檢核點(diǎn)坐標(biāo)差值見表2，精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3，檢核點(diǎn)平面位置和高程中誤差都小于5 cm(小于2 倍的地面分辨率)；8 號(hào)點(diǎn)和10 號(hào)點(diǎn)Y 方向較差超過(guò)10 cm，經(jīng)過(guò)分析，原因在于這2 個(gè)點(diǎn)位于航帶邊緣，由于航飛高度低、相機(jī)框幅小，故建議航帶設(shè)計(jì)時(shí)，可外擴(kuò)一條航帶，使測(cè)區(qū)范圍位于航帶內(nèi)部。 剔除航帶邊緣的檢核點(diǎn)后，地點(diǎn)平面位置中誤差為2.5 cm(滿足規(guī)范的15 cm限差)，高程點(diǎn)中誤差為3.1 cm(滿足規(guī)范要求的高程中誤差且不大于基本等高距的1/3)。 綜上分析，免像控點(diǎn)測(cè)圖方案可行。

表2 檢核點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比 m

表3 精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) m

圖4 航線與檢核點(diǎn)分布

4 結(jié)束語(yǔ)

論述了小型無(wú)人機(jī)航測(cè)免像控點(diǎn)技術(shù)的原理，并以大疆最新測(cè)繪無(wú)人機(jī)精靈4RTK 為例，通過(guò)工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)航攝測(cè)圖精度。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無(wú)地面像控點(diǎn)參與空三加密條件下， 使用PIX4D MAPPER 軟件全自動(dòng)處理制作的DOM 與DSM，在清華山維EPS 平臺(tái)上構(gòu)建三維模型，裸眼采集地形圖作業(yè)，能夠滿足大比例地形圖測(cè)圖精度要求。 該款無(wú)人機(jī)自身具有使用簡(jiǎn)單、方便、易攜帶等優(yōu)勢(shì)，適用于面積較小的大比例地形測(cè)量工作，基于免像控技術(shù)的無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量方法在滿足地形圖精度前提下，可大幅提高內(nèi)外業(yè)工作效率，具有較強(qiáng)的工程適用性。