四旋翼微型無人機在大比例地形圖中的應用

孫治華

(吉林省攝維測繪有限公司，吉林 長春 130012)

近年來快速發展起來的無人機測繪是將無人機技術運用于測繪領域而產生的新方向，是新型測繪技術與航空平臺技術、信息技術的高度集成，是對傳統衛星遙感測繪和有人機航空測繪的有效補充。無人機測繪具有結構簡單、操縱靈活、使用成本低、反應快速的特點，可以靈活、快速地獲取到高分辨率、大比例尺和高現勢性的影像[1]。目前，測繪行業使用的無人機主要分為固定翼和多旋翼兩種，兩者各有優缺點。固定翼無人機有飛行速度快、單架次飛行作業面積大等優點，但對飛機起降場地有一定要求，并且不能在空中旋停，轉彎面積大，不利于小面積作業[2]。多旋翼無人機起降則比較簡單，沒有特殊的場地要求，可以在空中旋停，作業靈活，但它的作業時間短，抗風能力差，作業效率相對要低。總的來說，多旋翼無人機是對傳統的有人機和固定翼無人機的一種補充[3]。本文以測量吉林省松原灌區大安片的一處帶狀形渣土場為例，闡述多旋翼無人機在本項目中從獲取影像到內業解算、輸出1∶1000地形圖、精度分析等過程的實施過程。

1 項目概況與無人機平臺

1.1 項目概況

松原灌區涉及松原、白城、前郭、乾安、大安等，根據各片區所處的地理位置，將灌區分為前郭片、乾安片，大安片三部分。本項目所處在大安片區，本片區內多為平原地區，地勢平坦、通信暢通；植被多為草地，有極少部分的旱地和水田。由于施工圖階段土料場和棄土場發生變化，需要對已實施的土料場和棄土場進行測繪。本文以一處帶狀渣土場測區進行內容闡述，此測區全長約18km，寬約200m，中間是一條人工渠，兩邊堆有從渠中挖出的渣土，植被主要是草地。

1.2 無人機平臺

本次作業采用的無人機平臺為大疆精靈4Pro四旋翼無人機。起飛重量：1388g，飛行速度：小于10m/s，相機等效焦距：24mm，照片分辨率：5472×3648像素，重疊度：大于80%，相對航高：200m，地面分辨率：5cm，顯示設備：平板電腦，飛行控制APP∶DJI GO 4和Pix4Dcapture[4]。

2 無人機航測作業流程

2.1 實地勘察和布設像控點

作業人員對作業區域和周圍進行實地勘察，采集地形地貌、植被等信息，查看飛行區域內有無對飛行產生影響的高大建筑物或地貌等，為場地的選取、航線規劃等提供資料。

由于所采用的無人機平臺沒有準確的RTK差分POS數據且測區呈帶狀分布，所以為提高成圖精度，需要在測區內均勻布設地面控制點[5]。本次作業像控點布設在測區兩側，約每500m一對，平面采用1980西安坐標系統，中央經線123°，高程采用1985國家高程基準，平面及高程精度為2cm。

2.2 航線規劃

在現場組裝好無人機后，打開航線規劃APP∶Pix4Dcapture，如圖1所示。航線規劃要針對任務性質和任務面積，綜合考慮天氣和地形等因素，規劃如何實現任務要求的技術指標，實現基于安全飛行條件下的任務范圍最大覆蓋。由于本次作業測區較大，無人機單次作業面積有限，所以采用分段航線規劃，分段航攝作業，單架次飛行大約為200m寬、1.5km長。為延長無人機有效作業時間，返航點要與航攝作業的起終點在同一側，航線數規劃為雙數，圖1中的點為像控點，要保證像控點在航攝區域內[6]。

圖1 航線規劃圖

2.3 航攝作業

當航線規劃完成后，設置其它作業參數，作業返航高度為300m，作業高度為200m，重疊度為80%，然后將飛行計劃上傳至無人機，就可以開始進行飛行拍攝了。飛行過程中實時監測飛行器的高度、速度、電量、飛行拍攝軌跡、溫度、風速等。

當遇到不正常情況時，地面人員要做出相應的操控，使得飛行器正常工作。如有不可操控的緊急情況時進行一鍵返航操作。具體飛行過程如下：

(1)起飛：在飛行計劃上傳完成時，無人機會從反航點自動垂直上升至返航高度，然后平移至起點位置，再下降至作業高度。

(2)航線飛行：無人機到達作業起點位置和高度后，會按規劃的航線進行飛行定時拍攝。在一條航線的末端，無人機會90°轉向移至下一條航線，再90°轉向進行飛行拍攝。

(3)回收：無人機到達作業終點后，會從作業終點垂直上升至返航高度，然后平移至返航點，再垂直下降至地面。

(4)航攝質量檢查：在完成航攝作業后，要在現場對作業數據進行檢查。檢查所拍照片數量與飛行軌跡是否與規劃航線一至；檢查有無拍攝效果不好的照片，有無遮擋像控點的照片。如果存在質量問題，要進行重飛或補飛，如果質量合格則外業航攝結束。

2.4 數據解算

內業數據解算使用Pix4Dmaper軟件，分為新建作業、概略刺點、全面刺點、初始化處理、輸出成果5步。

(1)新建作業：將外業質量檢查后的照片導入到軟件，設置圖像的輸入地理位置坐標系為WGS84，相機參數按圖2設置，選擇輸出坐標系為：西安1980坐標系3度分帶的41號帶，處理模板選擇3D地圖。

(2)概略刺點：由于本次作業中的像控點多達64個，如果直接全面刺點的話，工作量會很大，所以先進行概略刺點，軟件會進行自動計算匹配，再進行全面刺點的，工作量就會大大減少。在GCP/MTP管理器中導入控制點，分別在測區的首尾和中間地段各選擇一個像控點，每個像控點選刺3張照片，再進行初始化處理的快速檢測[7]。

圖2 相機參數設置圖

表2 相機自檢校誤差表

Facal LengithPrincipal Point xPrincipal Point yR1R2R3T1T2Initial Values3951.450[piexl]8.800[mm]2712.860[piexl]6.538[mm]1829.880[piexl]4.410[mm]0.004-0.0120.0110.0000.000Oplimized Values3654.396[piexl]8.807[mm]2713.988[piexl]6.541[mm]1829.745[piexl]4.410[mm]0.004-0.0100.010-0.0000.000Uncertainties(Sig-ma)0.142[piexl]0.000[mm]0.245[piexl]0.001[mm]0.207[piexl]0.000[mm]0.0000.0010.0010.0000.000

(3)全面刺點：概略刺點完成后，打開手動連接點編輯器，對包含像控點的照片依次刺刺點，因為已經過概略刺點的匹配，所以每張照片的刺點位置只要微調就可以了，全面刺點完成后，保存即可。

(4)初始化處理：采用全面高精度處理，完成后會自動輸出質量報告，在質量報告中重點查看區域網空三誤差與相機自檢誤差[8]。

區域網空三誤差見表1，Mean Reprojection Error就是空三中誤差，以像素為單位。

相機自檢校誤差的上下兩個參數一般不能超過5%，R1，R2，R3，三個參數不能大于1，否則可能出現嚴重的扭曲，見表2。

(5)輸出成果：輸出的成果包含了DOM和DEM，在輸出成果前要設置分辨率參數為10cm/像素。

2.5 制作地形圖

制作地形圖使用清華山維的EPS軟件，主要分為DSM生成、立體采集、成果輸出。

(1)DSM生成：清華山維的三維采集模塊需要DOM與DSM一起使用，所以要先使用EPS將DOM和DEM合成一套ESM，為立體采集時所用[9]。

(2)立體采集：打開EPS的三維模塊，加載對應的EOM和DSM，就可以進行地形圖的立體采集了。

(3)成果輸出：將DLG打印為紙圖，準備外業調繪和檢查。

2.6 外業調繪、補測與檢查

(1)以編繪的底圖為外業工作圖，利用RTK，在實地與工作圖進行對比調繪，調繪的一般要求有：判讀準確、描繪清楚、符號使用恰當、位置準確無誤等。

(2)補測的重點內容有：內業確定的疑問區、高植被區、水域、影像模糊區、新增地物等，這些區域要重新實測[10]。

(3)檢查以測斷面和地物的方式進行，每間隔100m測量一條斷面，以驗證高程精度；測量地物，以驗證平面精度。

3 精度分析

本項目全測區共2.97km2，實測斷面點和地物點共3714個，將其與所采集的DLG線劃圖對比，得出平面中誤差為0.32m，高程中誤差為0.18m。參考GBT 17278- 2009《數字地形圖產品基本要求》中的1∶500～1∶2000地形圖平面精度中誤差在平地、丘陵地不大于圖上0.6mm，高程注記點中誤差在平地不大于0.2m的要求，所以本次使用大疆精靈4Pro四旋翼微型無人機航測成圖項目完全符合1∶1000地形圖精度要求。

4 結語

無人機測量平臺以其結構簡單、操縱靈活、低成本、反應速度快等優點，在專業測繪領域得到了迅猛的發展，而多旋翼無人機在小面積測圖和特殊飛行環境下，有其自身的優點。隨著旋翼無人機的載重量和相機等硬件發展以及低空雷達在測繪方面的應用，相信今后，無人機測繪的平面和高程精度會有很大的提高，從而也會得到更廣泛的應用。