天狼星無人機免像控技術在河道整治中的應用

劉建良，楊 琦，楊 軍

(1. 北京優飛全景科技有限公司，北京 101102； 2. 金昌市城鄉規劃研究院，甘肅 金昌 737100)

天狼星無人機免像控技術在河道整治中的應用

劉建良1，楊 琦1，楊 軍2

(1. 北京優飛全景科技有限公司，北京 101102； 2. 金昌市城鄉規劃研究院，甘肅 金昌 737100)

針對河道帶狀復雜的地形條件及高精準的測量要求，提出了采用天狼星無人機航空測圖系統進行地形圖測繪的方法，并用實例進行了驗證。驗證結果表明，天狼星無人機航測系統通過其內置100 Hz實時動態差分RTK技術和高精度慣性導航IMU系統，很好地解決了照片匹配等問題，在不需要布設像控點的情況下獲取高精度的影像數據，大大提高了航測效率；同時河道整治過程中所遇到的土方量計算、洪水分析等問題將得到更加精確直觀的呈現，為后續河道綜合整治工作提供了精準的數據支持。

無人機；免像控；河道；數據處理

“綠水青山”是我國長期以來一貫堅持的環境保護政策，河流不僅改善著環境，也為人類的生產生活提供著重要的物質資源。隨著人們環境意識的提高，河道綜合治理工程也越來越被人們所重視。目前常規的測量技術難以高效全面地獲取河道及周邊流域的地形情況，給河道整治工作的后續開展帶來困難。拓普康天狼星(Sirius Pro)無人機測圖系統，以其機動靈活、低成本的特點，可以快速、高效、準確地獲取高精度、高分辨率的多元數據，并通過后處理軟件快速完成大比例尺地形圖的制作。高精度數字正射影像圖(DOM)和數字表面模型(DSM)數據的疊加可在河道整治項目中更加方便、快捷、直觀地判別河道地形地貌情況，同時天狼星測圖系統的免像控技術，大大減少了外業作業時間，更加快速地保障了河道整治前期工作的開展。本文以甘肅省定西市河道整治項目為例，對天狼星免像控技術在河道整治中的應用進行探討。

1 拓普康天狼星無人機測圖系統

1.1 系統簡介

拓普康天狼星無人機測圖系統主要包含無人機飛行平臺、數據通信平臺和數據后處理系統。Sirius Pro無人機測圖系統機身采用超輕泡沫材料，平臺主要性能參數見表1。

1.2 航測作業流程

在下達任務后，首先進行項目技術設計，對整個項目流程方案進行規劃設計，確保任務順利實施。為保障天狼星無人機外業航飛的順利進行，需要對項目規劃區域進行實地踏勘，起降場地的適合選擇也是確保飛行安全的重要因素；同時在測區內進行基準站點和檢核點的布設及采集，基準站點是為無人機飛行平臺GPS RTK基準站而進行的布設，檢核點是為影像數據成果檢核時提供對比。

在完成上述準備工作后，開始進行航線規劃設計，天狼星無人機采用自主研發的Mavinci Desktop飛行計劃軟件對測量區域進行航線設計。將規劃好的航線發送到無人機，無人機將按照規劃航線進行作業飛行，航飛任務結束后無人機自動將航拍POS數據傳回計算機，并與影像照片進行匹配，導入PhotoScan Pro軟件處理生成DOM、DSM和點云數據。為確保成果影像的精度，通過采集影像數據檢核點位置坐標與檢核點實測坐標進行比較，以來進行產品質量控制，確保上交的影像數據符合設計精度。無人機測圖系統測量工作流程如圖1所示。

表1 Sirius PRO無人機測圖平臺主要性能參數

圖1 無人機測圖工作流程

2 項目應用

2.1 測區概況

本次河道整治項目位于甘肅省定西市，通渭縣屬隴中黃土高原丘陵壑區，多黃土梁、峁和河谷階地，地勢西北高，東南低，海拔1600～2200 m。本次項目河道由牛骨河、西河和黃龍河3條河道構成，其中牛骨河河道為自西向東穿過通渭縣城區，西河和黃龍河都匯入牛骨河，位于105°06′12″E—105°23′09″E，30°08′19″N—30°15′38″N范圍內。整個河道項目全長約52 km，河道兩側多為溝壑地帶，河堤處有耕地。

2.2 航線規劃與參數設定

根據河道走向及周邊地形的起伏變化，為保障獲取高精度的影像數據，確保無人機作業安全，本次無人機航線設計中，采用自適應地形變化模塊。自適應地形飛行是在Mavinci Desktop飛行控制軟件中設置固定飛行高度后，飛機隨著地形起伏變化而自動改變飛行高度。固定航高飛行保證了飛機拍攝影像過程中像片重疊度，既避免遇到地形凸起時像片重疊度過小，無法滿足影像重疊規范要求，又避免在地形低洼處像片重疊度過大，造成飛行浪費。自適應地形飛行可以很好地避免在地形起伏較大的區域撞擊到山體等障礙物。本次項目飛行航線如圖2所示。

圖2 自適應地形航線飛行模式

根據河道長度及走勢情況，本次項目共設計12條帶狀航線(如圖3所示)，帶寬為200 m，地面采樣距離(GSD)為7 cm，飛行高度為272 m，航向重疊為75%～85%，旁向重疊為65%。

2.3 數據處理

基于天狼星無人機航測系統獲取影像的特點，利用Agisoft Photoscan Professional后處理軟件，首先將影像和高精度POS數據導入，基于SIFT算法對照片特征點進行匹配，再根據高精度POS數據將像片對齊，全自動生成密集點云、網格、紋理等，最終得到點云數據(如圖4所示)、DEM(如圖5所示)和DOM(如圖6所示)等數字化產品。

圖3 航帶規劃

圖4 點云數據

圖5 DEM

圖6 DOM

利用PhotoScan處理的數字化成果進行數字線劃地圖(DLG)的繪制。本項目采用清華山維EPS軟件和Virtual Surveyor虛擬測圖軟件，可以根據DEM和DOM影像數據生成三維實景模型。截取部分DLG成果，如圖7所示。

3 精度檢核

為保證數據的精度要求，采集測區內28個檢核點坐標，檢核點布設如圖8所示，依次編號為m1—m28,這些點主要位于道路等空曠平坦的地表。測區所設置檢核點的實測坐標和圖上坐標的平面差值即平面差值。再根據點位中誤差公式計算出每個點的平面中誤差。高程精度即通過外業實測獲得的高程檢核點坐標值和DEM上相對應的檢查點上量測的高程值之差。且誤差進行分析，看能否滿足1∶2000大比例尺DOM和DEM精度規范要求。根據要求當檢核點數量少于20個時，誤差的算術平均值代替中誤差，當數量大于或等于20個時，按中誤差進行統計。本項目檢核點精度見表2，分別統計X、Y和H方向的中誤差。

圖7 1∶2000 DLG成果

圖8 影像檢核點

根據表2各點坐標較差,計算出各點X、Y和H的中誤差分別為0.070、0.067和0.136 m。可以得出本次項目檢核點平面位置中誤差為0.097 m，高程中誤差為0.136 m，符合1∶2000的成圖要求。

4 結 語

本文通過對天狼星無人機測圖系統在河道整治項目的應用分析，充分證明無人機航測系統正逐步發生著變革，傳統航測技術對像控點布設、繪圖人員的技術水平都有較高的要求，在一定程度上大大降低了航測效率，增加了額外成本。而天狼星無人機航測系統通過其內置100 Hz實時動態差分RTK技術和高精度慣性導航IMU系統， 很好地解決了像片匹配等問題，在不需要布設像控點情況下獲取高精度的影像數據。同時河道整治過程中所遇到土方量計算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀地呈現。

表2 檢核點實測坐標與圖上坐標差 m

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ApplicationoftheSiriusNon-GCPsUAVinRiverRegulation

LIU Jianliang1,YANG Qi1，YANG Jun2

(1. Beijing U-View Technology Co. Ltd,Beijing 101102,China； 2. Jinchang City of Urban and Rural planning Institute,Jinchang 737100，China)

As to the problem that the river band complex terrain conditions and measurement of high precision requirement, the paper puts forward the method of Sirius UAV aerial mapping system for topographic mapping. According to this method, Sirius unmanned aerial system using its built-in 100 Hz real-time dynamic RTK technology and high precision of inertial navigation system IMU, can solve the problem of photo matching in the image data, without layout control points as the case to obtain high precision, greatly improving the efficiency of aerial survey. At the same time, the earthwork calculation and flood analysis in the process of river regulation will become more accurate and intuitive, which provides accurate data support for the subsequent comprehensive river regulation work.

UAV; non-GCPs; river; data process

劉建良(1992—)，男，助理工程師，主要從事無人機航測數據采集與處理分析。E-mail：cl_ljl0312@163.com