張亞林

(甘肅甘蘭水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，蘭州，733000)

1 引言

傳統(tǒng)攝影測(cè)量需要進(jìn)行大量像控點(diǎn)的布設(shè)，通過(guò)對(duì)空中三角形的解析來(lái)解算六個(gè)外方位元素[1]。在無(wú)人機(jī)測(cè)圖時(shí)，GNSS通過(guò)差分可將攝影測(cè)量中心曝光時(shí)刻的三個(gè)空間位置信息提供出來(lái)，從而可將外業(yè)像控點(diǎn)減少[2]。對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量而言，常用定位技術(shù)有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK)、事后動(dòng)態(tài)差分(PPK)，這兩種差分方式在原理上存在差異，但在精度上基本一致[3]。傳統(tǒng)方法進(jìn)行1∶500地形圖的測(cè)繪時(shí)，主要利用RTK、全站儀進(jìn)行地物點(diǎn)、特征點(diǎn)三維坐標(biāo)的實(shí)地采集，然后再使用軟件進(jìn)行地形圖的編繪[4]。傳統(tǒng)1∶500地形圖測(cè)量采集的要素較多，且在精度上具有較高的要求，需投入大量測(cè)工進(jìn)行實(shí)地采點(diǎn)、調(diào)繪。

近年來(lái)，隨著航空攝影測(cè)量的發(fā)展，使得采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭的相機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)已較為成熟，且在1∶500比例尺測(cè)圖項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛[5-7]。隨著續(xù)航時(shí)間、飛控軟件、載重量、定位精度等無(wú)人機(jī)參數(shù)優(yōu)化提升，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)圖效率越來(lái)越高，無(wú)人機(jī)已取代傳統(tǒng)人工測(cè)繪，成為大面積測(cè)圖主流方式[8]。但傳統(tǒng)航測(cè)未突破5cm點(diǎn)位中誤差的要求，這對(duì)無(wú)人機(jī)在高精度測(cè)圖項(xiàng)目中的應(yīng)用造成了限制。因而，研發(fā)一種在大范圍1∶500適應(yīng)的無(wú)人機(jī)測(cè)圖方案非常必要。和傳統(tǒng)人工測(cè)量相比，無(wú)人機(jī)掛載傾斜攝影設(shè)備測(cè)量1∶500地形圖時(shí)表現(xiàn)出迅速、靈活、作業(yè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[9]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是無(wú)人機(jī)進(jìn)行多鏡頭相機(jī)搭載，對(duì)拍攝區(qū)域進(jìn)行無(wú)死角、全方位拍攝，經(jīng)內(nèi)業(yè)差分處理可將三維實(shí)景模型制作出來(lái)[10]。傾斜攝影測(cè)量具有高精度、全面直觀、低成本、高效等特點(diǎn)[11]。因此，本文在甘肅禮縣某水庫(kù)安全鑒定工程中使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行了1∶500地形圖測(cè)繪。

2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)

2.1 RTK技術(shù)及PPK技術(shù)

采用RTK技術(shù)作業(yè)時(shí)，在流動(dòng)站及基準(zhǔn)站間，流動(dòng)站及CORS控制中心間建立實(shí)時(shí)通訊鏈路，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和常規(guī)RTK技術(shù)均方便快捷，可實(shí)時(shí)得到測(cè)量點(diǎn)位質(zhì)量信息及三維坐標(biāo)。常規(guī)RTK技術(shù)受電臺(tái)功率、地形條件、數(shù)據(jù)鏈傳輸質(zhì)量的影響較大，因作業(yè)距離短，需不停進(jìn)行基準(zhǔn)站的變換。在應(yīng)用上，網(wǎng)絡(luò)RTK取決于無(wú)線信號(hào)覆蓋強(qiáng)弱、范圍，同時(shí)還與控制中心解算軟件穩(wěn)定性及處理能力有關(guān)。PPK屬于一種GNSS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)后處理技術(shù)(獲取厘米級(jí)定位精度信息的后處理差分技術(shù))，不受地形限制，流動(dòng)站及基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)進(jìn)行對(duì)采集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)處理后，測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)。本研究使用大疆經(jīng)緯M300無(wú)人機(jī)，其主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 大疆經(jīng)緯M300無(wú)人機(jī)主要參數(shù)

2.2 RTK及PPK測(cè)量技術(shù)工作原理

RTK技術(shù)是基于載波相位為觀測(cè)量實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)，其工作原理是在基準(zhǔn)站安裝數(shù)據(jù)發(fā)送電臺(tái)及GPS接收機(jī)，實(shí)時(shí)發(fā)送基準(zhǔn)站位置信息及觀測(cè)量信息給流動(dòng)站。流動(dòng)站對(duì)四顆以上的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，并對(duì)基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)送的觀測(cè)數(shù)據(jù)、差分改正數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，將用戶位置實(shí)時(shí)解算出來(lái)。RTK技術(shù)能將流動(dòng)站、基準(zhǔn)站公有誤差大幅度消弱，可將定位精度大幅提高。RTK定位精度可達(dá)到厘米級(jí)別。

PPK測(cè)量系統(tǒng)由流動(dòng)站、基準(zhǔn)站組成，用戶不需要配備數(shù)據(jù)通信鏈路。其工作原理是采用一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)及流動(dòng)站接收機(jī)，保持流動(dòng)站、基準(zhǔn)站對(duì)可見(jiàn)衛(wèi)星連續(xù)進(jìn)行同步觀測(cè)，形成對(duì)衛(wèi)星載波相位觀測(cè)量。結(jié)束觀測(cè)后，使用GNSS軟件處理數(shù)據(jù)，從而可將基準(zhǔn)站、流動(dòng)站間的空間相對(duì)位置計(jì)算出來(lái)，在軟件里將基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)進(jìn)行固定，平差獲得流動(dòng)站坐標(biāo)。PPK技術(shù)隨GNSS數(shù)據(jù)處理技術(shù)、軟硬件技術(shù)的發(fā)展，尤其是無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的日漸發(fā)展，其應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大。目前，無(wú)人機(jī)均具有PPK作業(yè)及數(shù)據(jù)處理功能。圖1為PPK技術(shù)作業(yè)基本流程。

圖1 PPK技術(shù)作業(yè)基本流程

傾斜攝影測(cè)量是在無(wú)人機(jī)上搭載一臺(tái)單鏡頭相機(jī)或多鏡頭相機(jī)，從斜視、下視等不同視場(chǎng)角度獲取影像，完整表達(dá)地物情況。垂直影像是相對(duì)于地面成90°夾角拍攝的影像，傾斜影像是相對(duì)于地面有相對(duì)應(yīng)夾角拍攝的影像。傾斜相機(jī)是傾角大于15°的拍攝相機(jī)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)由無(wú)人飛行器平臺(tái)、操作人員、航拍設(shè)備組成。無(wú)人飛行器平臺(tái)分為固定翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)；操作人員由地面站指揮員、無(wú)人機(jī)駕駛員組成；航拍設(shè)備由姿態(tài)定位系統(tǒng)、傾斜相機(jī)組成。無(wú)人機(jī)航空攝影包括無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行、發(fā)射、數(shù)據(jù)檢查、無(wú)人機(jī)回收等步驟。選擇適宜起降場(chǎng)地，在飛行指令接收到后，發(fā)射無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)集成可高精度差分系統(tǒng)只需獲取地面端的基站數(shù)據(jù)及無(wú)人機(jī)端的差分?jǐn)?shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)完成后，返航到降落點(diǎn)上空，在操控員掌控下，用遙控器切換到人員操縱模式，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)著陸。從存儲(chǔ)設(shè)備中將差分?jǐn)?shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)導(dǎo)出，檢查數(shù)據(jù)。后期處理流程包含空中三角測(cè)量、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云建模等步驟。圖2為內(nèi)業(yè)處理流程。

圖2 內(nèi)業(yè)處理流程

3 1∶500地形圖制作

利用EPS測(cè)圖軟件進(jìn)行三維實(shí)景影像成果立體采集，對(duì)1∶500線劃地形圖進(jìn)行測(cè)制，包含四個(gè)步驟：

步驟一是繪制建筑物外部輪廓：通過(guò)建筑物側(cè)面形狀數(shù)據(jù)，對(duì)建筑側(cè)面輪廓的基點(diǎn)進(jìn)行繪制，形成閉合線狀要素，根據(jù)三維模型對(duì)建筑物特征進(jìn)行確定，賦予要素建筑物屬性信息。

步驟二是繪制線狀地物：通過(guò)傾斜模型繪制線狀地物，在三維模型上，直觀展現(xiàn)地物平面高程、位置、屬性特征等，快速提取要素內(nèi)容。

步驟三是提取高程：傾斜模型上有高程信息，在模型上快速提取高程數(shù)據(jù)。

步驟四是修飾地形圖：完成繪制后，對(duì)照傾斜攝影模型檢查圖面進(jìn)行注記，對(duì)要素進(jìn)行修飾繪制。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影1∶500地形圖的測(cè)繪實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)概況

本次航攝測(cè)區(qū)為某水電工程區(qū)1∶500地形圖測(cè)繪，此測(cè)量區(qū)域內(nèi)包含了水庫(kù)以及山地，而測(cè)區(qū)則是水庫(kù)及水庫(kù)周邊山地，其平均海拔大概達(dá)1650m，航攝測(cè)區(qū)的面積約2.0km2，圖3為測(cè)區(qū)范圍，表2為部分像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。

表2 部分像控點(diǎn)數(shù)據(jù) (單位：m)

圖3 測(cè)區(qū)范圍

為滿足模型精度，測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)像控點(diǎn)15個(gè)。

4.2 航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

在無(wú)人機(jī)航攝開(kāi)始飛行之前，依據(jù)成圖，應(yīng)當(dāng)計(jì)算飛行作業(yè)時(shí)的航飛參數(shù)，比如攝影比例尺以及計(jì)算航線的間距、航行高度等。

4.2.1 確定地面分辨率和航髙

依據(jù)所需的成圖比例尺的條件來(lái)明確地面的分辨率，表3為地面成圖比例尺以及分辨率間的對(duì)應(yīng)表。

表3 地面成圖比例尺和分辨率對(duì)應(yīng)

攝影航高所指的是和地面相對(duì)而言，攝影平臺(tái)的基準(zhǔn)面所具有的高度[10]。航高的算式是：f/H=像元尺寸/H，(其中，f為焦距，H為攝影航高)。以GSD標(biāo)示著地面的分辨率，基于相機(jī)校驗(yàn)而得出f以及像元尺寸。本次航飛采用賽爾102S，像元尺寸為3.9um，焦距為35mm。

4.2.2 像片重疊度及航線參數(shù)設(shè)置

依據(jù)低空數(shù)字航空攝影的規(guī)范要求，航向的重疊度采用80%，旁向重疊度采用70%。基于測(cè)區(qū)范圍，明確出航線的起點(diǎn)以及終點(diǎn)、航線的方向、間隔、長(zhǎng)度以及航線數(shù)量。航線的間隔寬度以及基線的長(zhǎng)度計(jì)算可采用下列求算式：

bx=Lx×(1-px)
dy=Ly×(1-pr)
Bx=bx×(H/f)
Dy=dy×(H/F)

上式中，bx為像片上的攝影基線長(zhǎng)度；BX為實(shí)地?cái)z影的基線長(zhǎng)度；dy為航線間隔寬度；px為航向重疊度；DY為實(shí)地航線的間隔寬度；Lx為像幅長(zhǎng)度；pr為旁向重疊度；H為攝影航高；Ly為像幅寬度；f為鏡頭焦距。

4.3 基于大疆制圖軟件進(jìn)行航測(cè)數(shù)據(jù)處理

大疆制圖軟件數(shù)據(jù)處理過(guò)程完全自動(dòng)化，操作比較簡(jiǎn)易、處理的速度也很快；快速化地自動(dòng)生成DOM以及DSM，并針對(duì)傾斜影像實(shí)施自動(dòng)化勻色處理；通常在測(cè)區(qū)邊緣以內(nèi)、測(cè)區(qū)中間布置像控點(diǎn)。設(shè)置好像控點(diǎn)坐標(biāo)系并將像控點(diǎn)文件導(dǎo)入，刺點(diǎn)后提交空中三角測(cè)量，生成實(shí)景三維模型。具體流程如圖4所示。

圖4 空中三角測(cè)量流程

圖5為水庫(kù)傾斜三維模型，空洞區(qū)為水庫(kù)水面，無(wú)法生成三維模型。

圖5 水庫(kù)傾斜三維模型

4.4 數(shù)據(jù)編輯

在10.1的CASS大比例尺專業(yè)圖形編輯軟件中編輯1∶500地形圖，圖6是局部的1∶500地形圖。

圖6 局部1∶500地形圖

4.5 地形圖精度評(píng)定

依據(jù)《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 18316-2008)以及《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T 24356—2009)的要求來(lái)針對(duì)工程區(qū)的1∶500地形圖展開(kāi)圖面檢查，借助于外業(yè)的檢查點(diǎn)與地形圖進(jìn)行對(duì)比，是否滿足規(guī)范精度要求。

4.5.1 地形圖平面精度評(píng)定

此次的實(shí)地量測(cè)量總共有30個(gè)平面檢查點(diǎn)，對(duì)工程測(cè)區(qū)之內(nèi)的地形圖平面精度加以檢驗(yàn)，表4是測(cè)驗(yàn)區(qū)內(nèi)部中分地形圖之平面檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)。

表4 測(cè)區(qū)內(nèi)部分地形圖之平面檢查點(diǎn)的精度統(tǒng)計(jì)(m)

從表4可知，檢查點(diǎn)的最小點(diǎn)位誤差是0.01m，而檢查點(diǎn)的最大點(diǎn)位誤差則是0.10m，本測(cè)區(qū)為一般地區(qū)，依比例尺1∶500的計(jì)算，由表5能夠知，可得出容許點(diǎn)位中誤差限差達(dá)到1.59m。此次的地形圖測(cè)量其點(diǎn)位中誤差可滿足比例尺1∶500地形圖的精度要求。

表5 圖上地物點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差 (單位：mm)

4.5.2 地形圖高程精度評(píng)定

本項(xiàng)目工程區(qū)1∶500地形圖一幅，對(duì)測(cè)區(qū)之中的地形圖的高程精度加以檢驗(yàn)，可用外業(yè)實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)來(lái)對(duì)內(nèi)業(yè)地形圖的高程作出測(cè)量。表6是1∶500地形圖中的一些高程檢查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表6 1∶500地形圖部分高程檢查統(tǒng)計(jì) (單位：m)

從表6可見(jiàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)所得中誤差為0.037m，地形圖高程的精度切合于具體的精度要求。經(jīng)對(duì)于地形圖的高程精度以及平面精度的具體分析可知，工程區(qū)的地形圖1∶500其精度是與規(guī)范要求相符的，而且質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5 結(jié)語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)近年來(lái)在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用廣泛，本文基于甘肅禮縣某水庫(kù)安全鑒定工程使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行了1∶500地形圖測(cè)繪，對(duì)無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)基本流程及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)介紹。經(jīng)與野外實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)比，平面及高程精度滿足規(guī)范中對(duì)1∶500地形測(cè)圖的精度要求。通過(guò)該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)水庫(kù)多源地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取，同時(shí)獲取的地表模型數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)可為水庫(kù)工程設(shè)計(jì)、施工等提供有效數(shù)據(jù)支撐。