免像控無人機在工程收方中的應用

任 斌，高利敏

(山西省第三地質工程勘察院航測分院，山西 晉中 030620)

無人機航空攝影測量近年來得到了測繪行業的廣泛認可和應用，但傳統航測作業依然存在著很多不完善之處，如飛行姿態不穩定、相機相幅小、影像畸變差大、重疊度不規則等。如果按照傳統航空攝影測量影像處理，不僅需要布設較多的像控點，還會成倍增加像控點聯測的野外測量工作量。本文采用的天狼星無人機航攝系統，通過其內置的100 Hz實時動態差分RTK技術可獲取高密度、高精度的像片位置信息，這種精密定位技術使得像片位置信息可以實現和地面控制點同樣的功能。通過天狼星無人機獲取的像片，經過Agisoft PhotoScan處理軟件，能實現每小時800張低空影像的匹配速度。系統自帶平差系統，無需借助第三方軟件，可自動智能化后處理，一步直接導出DOM、DEM和點云等成果數據。可在虛擬測量軟件下直接做裸眼3D采集，無需傳統立測的3D眼鏡、手輪、腳盤。無需布設像控點采集和刺點工作，大大減少了外業測量和測繪產品的生產周期[1]。

1 天狼星免像控航攝系統

1.1 內置高頻RTK接收模塊

天狼星免像控無人機航攝系統,配備了100 Hz的拓普康GNSS接收機，通過高精度GNSS RTK技術和精密定時技術來確定每張相片像主點的精確位置，無需布設地面控制點，降低了危險區域外業布設像控點的難度與危險度，大大降低了外業成本。同時，天狼星航測系統結合RTK技術，實現平面精度1.6 cm，高程精度2.7 cm，完全達到了1∶500的地形圖測圖精度。

1.2 多模式飛行計劃

相比于傳統無人機航測系統，天狼星航測系統配備高集成化的飛行計劃控制軟件MAVinci Desktop。用戶可根據項目測區范圍繪制采集區域，只需要設置地面采樣距離，自動實現飛行計劃設計，同時還可以按時間和面積將作業區劃分為多個測區，避免了由于電池導致無法完整作業等問題。根據項目測區的形狀，飛行計劃可分為多邊形模式、帶狀模式、螺旋狀模式及井子形模式，最大限度地提高作業效率。考慮項目測區地形起伏較大，飛機可根據地形起伏自動修改實際飛行高度，保證每張影像具有相同的景深，避免由于高障礙物導致的碰撞危險。

1.3 數據采集

天狼星無人機在飛行過程中，控制器軟件可以確保無人機自主跟蹤起飛前所制訂的飛行軌跡；數據采集瞬時記錄每張相片的位置和姿態。通過整合精密測時和高精度定位技術，機載相機自動獲取影像并存儲于無人機中，使得天狼星在空中即可完成傳統的地面控制。

1.4 數據處理

利用基于多視圖三維重建技術的Agisoft PhotoScan數據處理軟件，將無人機影像數據和高精度POS數據導入到工作區中，設置坐標系、投影方法及處理精度，自動解算每張影像的空間坐標和姿態，提取具有坐標信息的高密度點云數據，根據輸出產品的格式、種類，自動生產數字正射影像圖、數字高程模型和密集點云數據，提高內業處理效率[2-5]。

2 無人機地形圖測量案例

2.1 確定作業區域

本案例利用拓普康Sirius PRO無人機(中文名稱天狼星)，對山西某煤礦進行2018年3月1日至2018年4月1日期間工程方量驗收。測區地理坐標為東經112°22′-112°20′，北緯39°01′-39°04′，面積共計0.35 km2。如圖1所示，測區內地形起伏較大，坡度陡峻，最高海拔2098 m，最低海拔1720 m，屬于典型山地地貌。

圖1 山西某露天煤礦

2.2 規劃飛行航線

無人機任務規劃的主要目標是依據地形信息和執行任務的環境條件信息，綜合考慮無人機的性能、到達時間、耗能及飛行區域等約束條件，為無人機規劃出一條或多條自出發點到目標點的最優或次優航跡，保證無人機高效、快速地完成飛行任務。如圖2所示，本區域飛行航線共15條，地面采樣間距3 cm，航線內線性漸變飛行高度117 m，航向重疊度85%，旁向重疊度80%，照片數量160張。為檢核航飛成果精度，在本次飛行區域四周和中間共布設5個檢核點(梅花形布置)，并采用1980西安坐標系和1985國家高程基準對其進行測量，供后期數據處理飛行精度檢查[6]。

圖2 利用MAVinci Desktop軟件進行飛行航線規劃

2.3 航空攝影測量

選擇天氣良好、風力微弱的天氣執行飛行航測任務。在航測過程中全程監控無人機平臺的飛行軌跡、GPS信號強度、電量、高度、速度、姿態及其他參數，以保證飛行的安全及數據的可靠性。外業采集完成后，第一時間進行數據的備份和內業處理。

3 內業作業流程

使用MAVinci Desktop進行像片匹配，并通過軟件接口將數據導入Agisoft Photoscan中進行一鍵處理。Photoscan軟件用SIFT算子提取每張相片中的特征點并獲取其相對應的Descriptor。使用下載的POS數據對像片進行對齊，用RANSAC算法對粗差進行剔除，消除誤匹配。使用GNSS RTK數據圖根點坐標，逐次平差迭代，剔除粗差，最后經過生成密集點云、格網、紋理等，得到點云數據、DOM及DEM成果，如表1，圖3—圖7所示。利用這些數字化成品，可以使用Virtual Surveyor或D2D等軟件進行虛擬測圖，或使用AutoCAD描繪的方式將正射影像數字化，最終獲得符合規范要求的數字線劃圖[7]。

檢核數據表明天狼星無人機測繪1∶500比例尺數字線劃圖(B類)，完全能夠滿足《低空數字航空攝影內業規范》(CH/Z 3003—2010)內業平地規范要求[8]。

表1 地面控制點坐標誤差分析

圖3 2018年3月1日煤礦現狀DOM和DEM成果

圖4 2018年4月1日煤礦現狀DOM和DEM成果

利用Virtual Surveyor軟件，以及DEM和DOM文件對航測區域建立三維模型。

圈定收方區域提取高程點(間距為2 m)和特征點并導出。

將兩次測得數據轉換成CASS坐標數據文件格式。

圖5 Virtual Surveyor軟件建立三維模型界面

圖6 Virtual Surveyor圈定兩次飛行區域

圖7 Virtual Surveyor提取高程點

在CASS 10.0中用閉合的復合線圈定所要計算土方的區域，與第一期(3月1日)、二期(4月1日)三角網的區域邊界必須一致，然后用鼠標操作“工程應用方格網法土方計算”，在彈出的方格網土方計算對話框中，首先是導入“高程點坐標數據文件”，必須選擇生成第一期(3月1日)三角網的地面點高程數據，即原始地形數據。然后在“設計面”欄中，點選“三角網文件”。在導入三角網文件時，一定要選擇以第二期(4月1日)的地面點高程數據所構成的三角網，即由設計面數據生成的三角網。最后填寫方格網的寬度(系統默認的是20 m)，點擊“確定”即計算出該區域土方量[9]。本區域2018年3月1日至2018年4月1日共計挖方量170萬m3，填方量50萬m3，如圖8、圖9所示。

圖8 CASS方格網土方計算對話框

圖9 CASS方格網土方計算成果

4 結 語

本次案例展示出天狼星在復雜地形條件測繪大比例尺地形圖的優勢，天狼星無人機航測解決方案可作為中高空航攝的有效補充，在工程測量領域完成高精度地形圖測制工作。天狼星無人機航攝系統配備的高集成化的軟件處理程序實現了地形圖作業流程化、模塊化，大大節省了外業數據坐標采集工作量，縮短了工期，經過簡單培訓就可以完成專業人員的外業數據采集工作。在人員無法到達或難以測繪的復雜地形區域，高密度的點云數據和高精度數字高程模型為土石方測算等提供了更加精細準確的計量手段。