微小型多旋翼無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用研究

蔡馭

（云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

微小型多旋翼無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用研究

蔡馭

（云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

當(dāng)前，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在勘測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用得越來(lái)越多。主要針對(duì)微小型多旋翼無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)量中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析，提出地形圖測(cè)量中提高測(cè)量精度的建議。

地形圖測(cè)量；微小型多旋翼無(wú)人機(jī)；攝影測(cè)量；超低空

無(wú)人機(jī)，即無(wú)人駕駛飛機(jī)，是一種可控制的、有動(dòng)力的無(wú)人駕駛航空器，可攜帶多種設(shè)備完成不同任務(wù)的飛行要求。最初，無(wú)人機(jī)主要用于軍事領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)制造方面的技術(shù)水平都得到了提升，所搭載的傳感器類(lèi)型也越來(lái)越多樣，而隨著制造成本的降低，無(wú)人機(jī)在其他領(lǐng)域也開(kāi)始得到了廣泛應(yīng)用。

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)是地形圖測(cè)繪中應(yīng)用到的主要技術(shù)，將航測(cè)相機(jī)搭載在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行航測(cè)，將無(wú)人機(jī)技術(shù)與攝影測(cè)量技術(shù)結(jié)合，成為當(dāng)前測(cè)繪領(lǐng)域發(fā)展的主要方向。本文主要針對(duì)微小型多旋翼無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 無(wú)人機(jī)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)大連該無(wú)人機(jī)進(jìn)行研究，目前小型無(wú)人機(jī)以固定翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)為主，尤其是天寶UX5及拓普康SIRIUS無(wú)人機(jī)，從飛控系統(tǒng)到數(shù)據(jù)處理，提供了完整的解決方案，是行業(yè)的標(biāo)桿，非常適用于地形圖測(cè)量。但由于此類(lèi)無(wú)人機(jī)造價(jià)較高，在一般性地形圖測(cè)量工作中不適合應(yīng)用。例如，在電力工程外業(yè)塔位地形圖測(cè)量中，由于測(cè)區(qū)范圍大、測(cè)點(diǎn)分布散亂，因此，一款操控便利、價(jià)格合適、便于攜帶的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)就非常適用。本文將某四旋翼無(wú)人機(jī)作為載體，對(duì)其在地形圖測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

無(wú)人機(jī)參數(shù)：四旋翼無(wú)人機(jī)含電池及漿總重1 280 g，對(duì)角線(xiàn)距離590 mm，最大下降與上升速度分貝為3 m/s、5 m/s，懸停精度一般垂直向±0.5 m，水平向±1.5 m，超聲波范圍內(nèi)垂直向懸停精度±0.1 m，最大飛行高度6 000 m，最大水平飛行速度16 m/s，工作環(huán)境溫度0～40℃，最長(zhǎng)飛行時(shí)間23 min，GPS支持GLONASS/GPS雙模，云臺(tái)可控轉(zhuǎn)動(dòng)范圍俯仰-90°～+30°。

相機(jī)參數(shù)：影像傳感器有效像素1 240萬(wàn)，1/2.3英寸CMOS，鏡頭FOV94°20 mm，電子快門(mén)速度1/8 000～8 s，ISO范圍為照片100～1 600張，視頻100～3 200；照片最大分辨率3 000×4 000.該無(wú)人機(jī)售價(jià)在萬(wàn)元以?xún)?nèi)，彌補(bǔ)了以往無(wú)人機(jī)沒(méi)有搭載相機(jī)及云臺(tái)的不足，有效拓展了超低空攝影測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用空間。

表1 無(wú)人機(jī)相機(jī)標(biāo)定參數(shù)

表2 檢查點(diǎn)精度

2 無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 相機(jī)檢校

由于該無(wú)人機(jī)結(jié)合了測(cè)繪相機(jī)，屬于一體機(jī)，并且在對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的時(shí)候，只能是在無(wú)人機(jī)通電的情況下進(jìn)行。在對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，采用DVSStudioDC無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量軟件中的相機(jī)標(biāo)定模式，對(duì)相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

2.2 飛行試驗(yàn)

在進(jìn)行飛行測(cè)量之前，需要先布設(shè)相控點(diǎn)，以某電力桿塔航測(cè)為例，在其周?chē)荚O(shè)檢查點(diǎn)及控制點(diǎn)共18個(gè)，對(duì)紅白旗中心坐標(biāo)利用PTK GPS測(cè)量。消費(fèi)級(jí)小型無(wú)人機(jī)與專(zhuān)業(yè)級(jí)測(cè)繪型無(wú)人機(jī)有明顯的不同，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)沒(méi)有配置自動(dòng)航飛軟件，所以飛行全部依靠手動(dòng)遙控器控制。將DJI GO軟件安裝在IPAD上，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星影像進(jìn)行緩沖，將測(cè)區(qū)大致范圍在軟件上畫(huà)出。本次測(cè)量重疊度，旁向50%，航向80%，立體相對(duì)覆蓋范圍100 mm×100 mm，飛行信息如下：①高度50 m，GSD 0.022 m，單片覆蓋范圍86 m×65 m，需拍攝像片數(shù)量24張；②高度80 m，GSD 0.035 m，單片覆蓋范圍138 m×104 m，需拍攝像片數(shù)量12張；③高100 m，GSD 0.044 m，單片覆蓋范圍172 m×130 m，需拍攝像片數(shù)量8張。根據(jù)設(shè)計(jì)航向飛行，保證旁向與航向重疊度，飛行結(jié)束后對(duì)飛行質(zhì)量進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示，兩條航帶平均重疊度都在80%以上，全部配對(duì)成功，平均航偏角在1.2°以?xún)?nèi)。可見(jiàn)，對(duì)無(wú)人機(jī)采用手動(dòng)控制方式進(jìn)行地形圖測(cè)繪，攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理滿(mǎn)足要求。

2.3 精度評(píng)定

本次航測(cè)試驗(yàn)共設(shè)置18個(gè)相控點(diǎn)，并利用RTK GPS對(duì)標(biāo)志中心坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)區(qū)4個(gè)角和中心點(diǎn)總共5個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行選取，同時(shí)在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇均勻分布的6個(gè)控制點(diǎn)，分別進(jìn)行空三結(jié)算，利用其他控制點(diǎn)對(duì)高程精度進(jìn)行檢查，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)航攝重建三維場(chǎng)景，結(jié)果顯示，5個(gè)控制點(diǎn)精度較好，不管是在高程誤差方面，還是在等高距方面，都可滿(mǎn)足相關(guān)要求，因此所得到的地形圖精度也可滿(mǎn)足要求。

2.4 單立體模型試驗(yàn)

本次研究中，針對(duì)50 m×50 m局部進(jìn)行單模型試驗(yàn)，試驗(yàn)飛行高度選擇80 m，確保所測(cè)量立體覆蓋范圍滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，根據(jù)相同的精度評(píng)定方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如表3所示。

此外，對(duì)測(cè)點(diǎn)斷面圖利用RTK GPS進(jìn)行實(shí)測(cè)，然后對(duì)立體測(cè)圖數(shù)據(jù)與斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)在精度方面進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，立體測(cè)圖測(cè)得的高程與外側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)高程基本一致，但在植被茂密的區(qū)域差異較大，而外業(yè)實(shí)測(cè)的28個(gè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程與內(nèi)業(yè)測(cè)得的高程結(jié)果誤差為0.076 m，在電力勘測(cè)塔基斷面測(cè)量中可以滿(mǎn)足需要。

表3 單立體模型精度評(píng)定

3 結(jié)論

本文分析了采用微小型多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)地形圖測(cè)量時(shí)進(jìn)行超低空攝影測(cè)量實(shí)施應(yīng)用的可能性，并對(duì)測(cè)量的精度進(jìn)行了評(píng)定，結(jié)論如下：①在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行人工手動(dòng)操作，所采集的數(shù)據(jù)能夠滿(mǎn)足需求；②在一般植被較少的測(cè)區(qū)內(nèi)，微小型多旋翼無(wú)人機(jī)超低空攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量結(jié)果在精度方面滿(mǎn)足要求。在實(shí)測(cè)中，微小型多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題，比如人工手動(dòng)控制難免會(huì)出現(xiàn)失誤，因此后續(xù)還需要有針對(duì)性地對(duì)飛控軟件進(jìn)行研發(fā)，對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的線(xiàn)路精度進(jìn)行控制，使測(cè)圖精度和作業(yè)效率得到提升。

［1］李添國(guó)，蔡延斌.低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例研究［J］.青海國(guó)土經(jīng)略，2014，03（14）：72-75.

［2］周曉敏，趙力彬，張新利.低空無(wú)人機(jī)影像處理技術(shù)及方法探討［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2012，02（28）：182-184.

［3］張義虎.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在數(shù)字化地形測(cè)量的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017，05（11）：292.

［4］劉正林，常龍，徐兆巖.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量在電力工程中的應(yīng)用論述［J］.建材與裝飾，2016，36（24）：193-194.

［5］王湘文，于啟升，王雅鵬.無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用［J］.地礦測(cè)繪，2013，01（18）：34-36.

P217；P231

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.157

2095－6835（2017）20－0157－02

蔡馭（1990—），男，云南玉溪人，本科，助理工程師，主要從事工程測(cè)繪方面的工作。

〔編輯：劉曉芳〕