錢(qián)俊錦

（四川中水成勘院測(cè)繪工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的普及，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)成圖和三維建模的方法已經(jīng)在數(shù)字城市建設(shè)、工程測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)以及景點(diǎn)展示等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，從最初的人工飛行發(fā)展到自動(dòng)飛行，再到厘米級(jí)定位、仿地飛行等，每一步的發(fā)展都極大地提高了傳統(tǒng)測(cè)繪的效率。隨著無(wú)人機(jī)廠商和軟件開(kāi)發(fā)商不斷地對(duì)技術(shù)進(jìn)行更新，利用小型無(wú)人機(jī)在復(fù)雜、困難地區(qū)進(jìn)行大比例尺免像控測(cè)繪已經(jīng)成為可能，該文對(duì)大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)在高山區(qū)使用免像控航測(cè)的方法進(jìn)行研究。

1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于西部高原地區(qū)，需要測(cè)繪1∶1000三的維模型及地形圖。測(cè)區(qū)地形屬于高山區(qū)，面積約1.5 km2，海拔在3 000 m以上，區(qū)域內(nèi)高差達(dá)400 m以上，地勢(shì)陡峭；且人員在該區(qū)域內(nèi)有較強(qiáng)的高原反應(yīng)，種種因素給外業(yè)測(cè)量帶來(lái)了較大的困難。由于地形原因，人員無(wú)法按照常規(guī)的航測(cè)作業(yè)方法布設(shè)像控點(diǎn)，即像控點(diǎn)無(wú)法控制整個(gè)測(cè)區(qū)，如果強(qiáng)制采用像控點(diǎn)作為約束條件進(jìn)行空三，就可能會(huì)造成測(cè)區(qū)局部精度不能滿(mǎn)足規(guī)范的結(jié)果；因此，經(jīng)研究后決定該次測(cè)繪采用免像控作業(yè)方式，測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地形概況如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地形

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)建模原理

通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)（可以是單鏡頭，也可以是多鏡頭）對(duì)目標(biāo)區(qū)域按照一定的重疊率，從多角度拍攝多張影像，并通過(guò)提取影像上的二維特征點(diǎn)，根據(jù)不同影像匹配的同名特征點(diǎn)，用光束法將區(qū)域的網(wǎng)平差生成三維點(diǎn)云。建模軟件把從不同視點(diǎn)拍攝的靜態(tài)物體的數(shù)字影像作為輸入，在幾分鐘/小時(shí)的計(jì)算時(shí)間（取決于輸入數(shù)據(jù)的大?。﹥?nèi)輸出帶紋理的高分辨率三角形網(wǎng)格，最終形成數(shù)字影像覆蓋區(qū)域的實(shí)景三維模型。

3 作業(yè)流程

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，決定采用大疆精靈4RTK進(jìn)行航測(cè)作業(yè)，整個(gè)作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 航測(cè)作業(yè)流程圖

3.1 大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)具有快速靈活、對(duì)起降場(chǎng)地要求低的特點(diǎn)，但同時(shí)由于航程較短，它也不適合開(kāi)展大區(qū)域作業(yè)。該無(wú)人機(jī)配備了1英寸2 000萬(wàn)像素的相機(jī)CMOS，搭載了FOV 84 °和8.8 mm/24 mm（35 mm格式等效）鏡頭，其最大飛行高度為500 m，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)）或PPK（動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)）的方式實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，具備跟隨地形進(jìn)行仿地飛行的功能，特別適合在高差較大的地區(qū)開(kāi)展高精度航測(cè)作業(yè)。

3.2 獲取測(cè)區(qū)的DEM/DSM

由于測(cè)區(qū)高差很大（400 m），在采用定高飛行時(shí)，測(cè)區(qū)高程較高區(qū)域的重疊率和較低區(qū)域的分辨率將無(wú)法滿(mǎn)足三維建模的要求；因此，為了保證飛行的重疊率和分辨率可以滿(mǎn)足大比例尺地形圖測(cè)繪的要求，應(yīng)該采取無(wú)人機(jī)跟隨地形進(jìn)行變高飛行的方式進(jìn)行航測(cè)，即仿地飛行。為了進(jìn)行仿地飛行，就需要測(cè)區(qū)的DEM/DSM（數(shù)字高程模型/數(shù)字表面模型），通常來(lái)說(shuō)，獲取測(cè)區(qū)的DEM/DSM有以下2種方法：1） 先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行1次低分辨率飛行，以最快的速度利用航測(cè)影像生成測(cè)區(qū)的DSM。其優(yōu)點(diǎn)是地形精準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)飛行時(shí)能夠有效地避開(kāi)測(cè)區(qū)內(nèi)高大的突出物；其缺點(diǎn)是必須先進(jìn)行1次飛行，會(huì)影響工作效率。2） 根據(jù)各種公開(kāi)發(fā)行的DEM數(shù)據(jù)，按照測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行裁切。其優(yōu)點(diǎn)是不需要先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行飛行，能提高工作效率；其缺點(diǎn)則是DEM數(shù)據(jù)的實(shí)效性不高且無(wú)法判別測(cè)區(qū)內(nèi)高大的突出物，會(huì)影響飛行安全。該航飛測(cè)區(qū)位于原始森林中，沒(méi)有人為因素改變測(cè)區(qū)地形的情況，且無(wú)高大突出的建筑物，因此可以采用公開(kāi)發(fā)行的DEM數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，該次作業(yè)采用ALOS 12.5 m分辨率的DEM作為仿地飛行的DEM。

ALOS是日本宇宙航空研究所（JAXA）的高級(jí)陸地觀測(cè)衛(wèi)星-1（Advanced Land Observing Satellite-1，ALOS）項(xiàng)目。ALOS-12m地形數(shù)據(jù)來(lái)源于ALOS的PALSAR傳感器。2006年～2011年，PALSAR的L波段合成孔徑雷達(dá)（SAR）產(chǎn)生了大量的全天候觀測(cè)成果。ALOS PALSAR RTC數(shù)據(jù)集產(chǎn)品自2014年10月開(kāi)始發(fā)布，一年后完成。項(xiàng)目中包括除南極洲、格陵蘭島、冰島和歐亞大陸北部以外的地球上所有陸地區(qū)域的精細(xì)波束（FBS、FBD）和極化（PLR）數(shù)據(jù)。

獲得DEM數(shù)據(jù)之后，將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入無(wú)人機(jī)遙控器中，就可以在遙控器中對(duì)仿地飛行的航線(xiàn)進(jìn)行規(guī)劃。

3.3 外業(yè)檢查點(diǎn)布設(shè)

雖然該次航飛采取免像控的方式，但是為了保證檢查成果的精度，還需要在測(cè)區(qū)布設(shè)檢查點(diǎn)；共布設(shè)6個(gè)平面檢查點(diǎn)和90個(gè)高程檢查點(diǎn)。平面檢查點(diǎn)利用了固定地物和提前布設(shè)的對(duì)空標(biāo)志，分布于測(cè)區(qū)內(nèi)人員可以到達(dá)的區(qū)域和測(cè)區(qū)中部區(qū)域，布設(shè)樣式為“L”型[1]，點(diǎn)位間距約600 m[2]。采用對(duì)中桿將GPS設(shè)備精確對(duì)中之后測(cè)量3個(gè)測(cè)回，每個(gè)測(cè)回平滑采集30次，測(cè)回間GPS設(shè)備斷開(kāi)重連。高程檢查點(diǎn)則在測(cè)區(qū)內(nèi)人員能夠到達(dá)處隨機(jī)采用RTK進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)高程檢查點(diǎn)平滑采集10次，平面檢查點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 平面檢查點(diǎn)分布

3.4 無(wú)人機(jī)航飛

大疆精靈4RTK自帶千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，可以在千尋知寸FindCM的覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)定位，由于測(cè)區(qū)位置比較偏遠(yuǎn)，且飛行區(qū)域的地形較為復(fù)雜；因此，為了防止出現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)和遙控器失聯(lián)等因素造成無(wú)人機(jī)丟失RTK定位信息的情況，測(cè)繪人員在地面架設(shè)了靜態(tài)觀測(cè)基站，從而方便進(jìn)行后期PPK解算。架設(shè)靜態(tài)觀測(cè)基站之前，首先利用千尋或省級(jí)cors（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站）服務(wù)測(cè)量靜態(tài)觀測(cè)基站點(diǎn)的經(jīng)緯度，然后架設(shè)靜態(tài)基站并按照1 Hz以上的采樣速率進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)，需要注意靜態(tài)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)必須大于飛行時(shí)長(zhǎng)，且飛行過(guò)程中靜態(tài)觀測(cè)不能中斷。根據(jù)地面分辨率和飛行高度，可得表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：H為飛行高度；f為相機(jī)焦距；a為像元大??；GSD為地面分辨率。

計(jì)算結(jié)果要滿(mǎn)足1∶1000建模精度的要求，飛行高度不能高于350 m。由于測(cè)區(qū)高差太大，因此從起飛點(diǎn)起飛超過(guò)220 m的飛行高度就會(huì)超過(guò)大疆無(wú)人機(jī)500 m飛行高度的限制，為了保證作業(yè)成果的質(zhì)量和飛行安全，最終確定采取相對(duì)航高200 m進(jìn)行仿地飛行。

該次無(wú)人機(jī)航飛作業(yè)的主要參數(shù)見(jiàn)表1，航線(xiàn)如圖4所示。

表1 航測(cè)參數(shù)

圖4 仿地飛行變高航線(xiàn)

3.5 內(nèi)業(yè)處理

該次作業(yè)共拍攝了644張影像，有效覆蓋范圍1.73 km2，測(cè)區(qū)被完全覆蓋并有一定的多余影像，有利于提高測(cè)繪的質(zhì)量。內(nèi)業(yè)處理時(shí)，根據(jù)靜態(tài)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，以靜態(tài)觀測(cè)基站點(diǎn)的經(jīng)緯度為基準(zhǔn)，對(duì)無(wú)人機(jī)記錄的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，從而得到厘米級(jí)定位的高精度無(wú)人機(jī)航拍影像pos（外方位元素中的線(xiàn)元素）數(shù)據(jù)。在得到高精度的pos數(shù)據(jù)之后，利用Photoscan空三結(jié)合ContextCapture完成三維建模。Photoscan是由俄羅斯Agisoft公司開(kāi)發(fā)的1款軟件，它可以快速自動(dòng)化處理無(wú)人機(jī)的航測(cè)影像，具有操作簡(jiǎn)便、空三精度高的特點(diǎn)，但其三維建模的效果一般。ContextCapture（原smart3D）則可以根據(jù)航測(cè)影像自動(dòng)化生成具有真實(shí)紋理的實(shí)景三維模型，其生產(chǎn)的三維模型具有效果好、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但其空三處理能力較弱。因此結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)對(duì)影像進(jìn)行處理，成果處理的具體作業(yè)流程為：將航拍影像導(dǎo)入Photoscan中，再導(dǎo)入pos數(shù)據(jù)進(jìn)行空三處理；由于pos為厘米級(jí)定位，因此在Photoscan中將pos的精度設(shè)置為0.05 m，空三處理完成之后導(dǎo)入平面檢查點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，整個(gè)過(guò)程中平面檢查點(diǎn)不參與空三運(yùn)算，只對(duì)精度進(jìn)行檢查。在Photoscan完成處理之后將空三結(jié)果以Blocks Exchange（*.xml）的格式導(dǎo)出，隨后在ContextCapture中導(dǎo)入該空三成果，導(dǎo)入完成之后就可以開(kāi)始進(jìn)行三維建模，最終形成的三維模型效果如圖5所示。

圖5 三維模型局部效果

3.6 精度檢查

該航測(cè)成果的三維模型平均地面分辨率為6 cm，滿(mǎn)足1∶1000地形圖測(cè)繪的要求。航測(cè)中，共布設(shè)6個(gè)平面檢查點(diǎn)，由于檢查點(diǎn)數(shù)量不足20個(gè)，因此根據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范的規(guī)定，按照其誤差的算術(shù)平均值計(jì)算檢查點(diǎn)中的誤差。根據(jù)Photoscan的空三報(bào)告得出精度統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

表2 平面檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

在進(jìn)行精度比較時(shí)，將平面檢查點(diǎn)看作地物點(diǎn)。根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》，地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差限差為圖上距離0.8 mm（一般地區(qū)），則1∶1000地形圖的實(shí)際距離限差為80 cm。由精度統(tǒng)計(jì)表可以看出，平面檢查點(diǎn)的中誤差滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

航測(cè)中共有90個(gè)高程檢查點(diǎn)，檢查方法為在ContextCapture中將航測(cè)成果按照0.2 m的間距輸出為las點(diǎn)云，再在Microstation軟件中比較las點(diǎn)云和高程檢查點(diǎn)的高程差。由于檢查點(diǎn)數(shù)量大于20個(gè)，根據(jù)《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》規(guī)范的規(guī)定，計(jì)算點(diǎn)位中誤差的表達(dá)式如公式（2）所示。

式中：M為中誤差；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)。

統(tǒng)計(jì)之后得出高程檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)情況，見(jiàn)表3。

表3 高程檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》，地形為山地時(shí)，高程檢查點(diǎn)的中誤差限差為等高距的2/3倍，1∶1000地形圖等高距為1 m，則限差為0.67 m。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，高程檢查點(diǎn)的中誤差為0.11 m，滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在山區(qū)進(jìn)行地形測(cè)繪或無(wú)人機(jī)航測(cè)時(shí)，地形、測(cè)區(qū)環(huán)境等因素會(huì)給大比例尺地形圖測(cè)繪和高精度航測(cè)建模帶來(lái)很大的困難，采用免像控的作業(yè)方式，就可以極大地提高工作效率。采用免像控的方式應(yīng)該注意以下4點(diǎn)：1） 由于山區(qū)地勢(shì)陡峭，如果采用定高飛行的方式，航測(cè)成果的分辨率和重疊度等很難滿(mǎn)足建模的要求，如果不同區(qū)域的影像重疊度差別過(guò)大，也會(huì)影響空三的精度，因此要在山區(qū)無(wú)人機(jī)作業(yè)中實(shí)現(xiàn)免像控，必須采用仿地飛行的方式。2） 利用大疆精靈4RTK進(jìn)行仿地飛行時(shí)，需要注意開(kāi)啟無(wú)人機(jī)的RTK定位功能，如果不開(kāi)啟，仿地飛行時(shí)將不會(huì)按照預(yù)設(shè)的航高進(jìn)行飛行，就可能會(huì)導(dǎo)致分辨率不能滿(mǎn)足測(cè)量的要求。3） 要確保pos的精度，即使有網(wǎng)絡(luò)RTK信號(hào)覆蓋，為了避免中途可能出現(xiàn)的因網(wǎng)絡(luò)或遙控器失聯(lián)等因素造成RTK 信號(hào)丟失的情況，也應(yīng)該采取ppk模式對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理。4） 當(dāng)內(nèi)業(yè)空三處理時(shí)，在Photoscan中進(jìn)行空三之前，應(yīng)該將pos的精度設(shè)置為厘米級(jí)，如果采用軟件默認(rèn)設(shè)置的精度進(jìn)行空三，成果將無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)精度的要求。