無人機(jī)航測(cè)在長(zhǎng)江岸線測(cè)繪中的應(yīng)用

謝 亮，吳正偉

(泰州市測(cè)繪院，江蘇 泰州 225300)

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的興起給測(cè)繪工作帶來了福音，減少了人工外業(yè)工作量，提高了測(cè)繪工作的效率，生成測(cè)區(qū)影像圖的同時(shí)構(gòu)建了該區(qū)域的數(shù)字高程模型，不僅在測(cè)繪工作中得到長(zhǎng)足發(fā)展，而且在傳統(tǒng)農(nóng)林作業(yè)、土地資源調(diào)查、智慧城市、數(shù)字考古、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、三維實(shí)景等應(yīng)用中也得到快速拓展[1-3]。在對(duì)地形復(fù)雜、人員較難進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的區(qū)域進(jìn)行地理信息獲取方面，無人機(jī)擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[4-7]。

泰州市地處長(zhǎng)江下游北岸、長(zhǎng)江三角洲北翼，有著風(fēng)光秀麗、綿延百里的長(zhǎng)江岸線。近年來，泰州市按照“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，對(duì)長(zhǎng)江堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，努力把長(zhǎng)江沿江岸線打造成泰州的生態(tài)寶地。開展長(zhǎng)江岸線測(cè)繪，可為長(zhǎng)江岸線的合理開發(fā)使用提供基礎(chǔ)資料。

由于長(zhǎng)江岸線具有地形復(fù)雜、成帶狀、長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的測(cè)繪方式，不僅效率低下，而且其地形圖成果難以全面豐富地表達(dá)出沿江資源利用的情況。另外，傳統(tǒng)的航測(cè)影像畸變差較大，需要布設(shè)較多的地面像控點(diǎn)才能完成影像的位置匹配[8-10]，而沿江的周邊地形地貌較為復(fù)雜，導(dǎo)致地面像控點(diǎn)的布設(shè)困難重重。針對(duì)以上特點(diǎn)，本文采用拓普康天狼星(Topcon Sirius Pro)無人機(jī)航攝系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)差分定位，實(shí)現(xiàn)免像控高精度航測(cè)，可完全擺脫地面條件的限制，大大提高無人機(jī)航測(cè)的生產(chǎn)效率，且具有生產(chǎn)成本低、成果分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、表現(xiàn)形式豐富等優(yōu)點(diǎn)。

1 拓普康天狼星Sirius Pro高精度無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)

天狼星無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)由飛行平臺(tái)、航測(cè)相機(jī)、RTK系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)后處理軟件組成。

1.1 飛行平臺(tái)

機(jī)身采用Elapor工業(yè)級(jí)航空泡沫材料，具有起飛重量輕(僅2.7 kg)、飛行姿態(tài)穩(wěn)定、抗風(fēng)能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，采用全自動(dòng)手拋方式起飛、多種降落模式[11]。一般采用自動(dòng)駕駛輔助的模式降落，能夠簡(jiǎn)單、高效、精準(zhǔn)地降落到地面。

1.2 航測(cè)相機(jī)

采用Sony A6300相機(jī)，20 mm焦距鏡頭，APS-C CMOS傳感器，2400萬像素。后期根據(jù)需要可安裝Sony RX1R Ⅱ全畫幅相機(jī)，可達(dá)到4200萬像素。

1.3 RTK系統(tǒng)

天狼星RTK系統(tǒng)由地面GNSS基準(zhǔn)站、機(jī)載GNSS接收機(jī)、差分?jǐn)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)發(fā)射器組成。GNSS接收機(jī)采用226通道，可接收GPS L1 C/A L2C L2 P(Y)、GLONASS L1/L2、Galileo E1衛(wèi)星信號(hào)，水平精度為10 mm+1.0×10-6D，垂直精度為15 mm+1.0×10-6D，RTK更新率為100 Hz，可以實(shí)時(shí)解算飛機(jī)在空中的精確位置，高效控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。

1.4 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要利用自帶的MAVinci Desktop軟件，根據(jù)測(cè)區(qū)范圍和實(shí)地情況規(guī)劃飛行線路，創(chuàng)建飛行計(jì)劃。飛機(jī)起飛后，根據(jù)事先設(shè)定的飛行范圍、分辨率、重疊率等參數(shù)，自動(dòng)設(shè)置飛行航線和航拍位置。

1.5 數(shù)據(jù)后處理軟件

像片數(shù)據(jù)處理軟件采用Agisoft公司的PhotoScan軟件，可以與MAVinci Desktop軟件實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接[12]，完成點(diǎn)云匹配、影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接、勻光勻色，無需人工干預(yù)，自動(dòng)生成DOM和DEM產(chǎn)品；另外，可通過系統(tǒng)附帶的EPS軟件加工生成DLG。

2 項(xiàng)目概況及作業(yè)過程

泰州市長(zhǎng)江流經(jīng)高港區(qū)、泰興市、靖江市三縣市，長(zhǎng)度近百千米，沿岸主要分布有企業(yè)、碼頭、灘涂、公園等，沿線河網(wǎng)交織分布，植被主要以農(nóng)田、蘆葦、銀杏樹等經(jīng)濟(jì)作物為主，兩個(gè)江心洲人員無法進(jìn)入，傳統(tǒng)測(cè)繪較為困難。為快速獲取長(zhǎng)江岸線的地形數(shù)據(jù)，從而準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江岸線分類長(zhǎng)度、沿岸線各類資源情況，筆者采用拓普康天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行航測(cè)作業(yè)。作業(yè)流程如圖1所示。

2.1 起降點(diǎn)選擇

根據(jù)作業(yè)前現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況，起降點(diǎn)一般選在每一架次航測(cè)區(qū)域中心的人流量較小的道路、綠化帶內(nèi)的廣場(chǎng)、廠區(qū)內(nèi)部道路或部分植被較為低矮的農(nóng)田等，結(jié)合飛行當(dāng)天的風(fēng)向作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，盡量選擇頂風(fēng)起飛和降落，注意起降點(diǎn)避開高壓電線、移動(dòng)信號(hào)塔等高空設(shè)施，以及河流、水塘等水系，確保起降安全。

2.2 飛行航線規(guī)劃與航測(cè)參數(shù)設(shè)定

本項(xiàng)目由于測(cè)區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，根據(jù)長(zhǎng)江岸線的走向及周邊地形地貌情況，單架次設(shè)置10條航線，主要以帶狀模式飛行為主，具體如圖2所示，航攝寬度為1 km，航高為460 m，航測(cè)分辨率設(shè)置為9 cm，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為65%。

2.3 航測(cè)數(shù)據(jù)處理

天狼星無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)在航攝過程中獲取的每一張像片都具有高精度實(shí)時(shí)差分定位數(shù)據(jù)，且整合了高精度測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)差分定位數(shù)據(jù)，可通過算法對(duì)像片特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，再根據(jù)高精度實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)，無需人工干預(yù)即可自動(dòng)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖3所示)、DEM數(shù)據(jù)(如圖4所示)、DOM數(shù)據(jù)(如圖5所示)。后期還可利用EPS軟件，根據(jù)DEM和DOM加工成DLG產(chǎn)品。對(duì)于較大的需要數(shù)天才能完成的項(xiàng)目，航測(cè)盡量選擇相同的天氣，確保像片亮度和色調(diào)統(tǒng)一，減少拼接時(shí)的色差。

3 精度檢驗(yàn)與分析

本次長(zhǎng)江岸線的航測(cè)項(xiàng)目由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)且不是直線，整個(gè)航飛共42架次，航飛結(jié)束后在測(cè)區(qū)選取地面特征較明顯且均勻分布的檢核點(diǎn)185個(gè)，使用RTK實(shí)測(cè)檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程，并與圖上采集的坐標(biāo)和高程進(jìn)行比較，其中一個(gè)架次的航測(cè)精度比較結(jié)果見表1。

經(jīng)過計(jì)算比較分析，該架次的平面最大誤差為0.11 m，最小誤差為0.04 m，高程最大誤差為0.16 m，最小誤差為0.06 m，最終整個(gè)項(xiàng)目精度平面中誤差為0.076 m，高程中誤差為0.11 m，滿足相關(guān)規(guī)范和項(xiàng)目的要求。

表1 檢核點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) m

續(xù)表1

4 結(jié) 語

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行低空航測(cè)是現(xiàn)代航空攝影測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)之一，整合RTK定位的免像控技術(shù)，在復(fù)雜地形條件下進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)將會(huì)更加高效和便捷。本文通過拓普康天狼星Sirius無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)在長(zhǎng)江岸線測(cè)繪的應(yīng)用，充分驗(yàn)證了新型無人機(jī)航攝系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、起降容易、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，特別適合在地形地貌復(fù)雜、不易布設(shè)像控點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行航測(cè)。其航測(cè)精度完全滿足1∶500、1∶1000等大比例尺地形圖的需要，而且其成果豐富多樣，包含DLG、DOM、DEM等產(chǎn)品，可滿足不同的應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)測(cè)量的理論束縛，開創(chuàng)了全新的作業(yè)模式。

使用過程中也存在一些問題，首先是數(shù)據(jù)發(fā)射器的功率偏小，導(dǎo)致控制飛機(jī)距離短，易受到干擾，只能縮小單架次的航測(cè)范圍，造成工作效率偏低；其次電池續(xù)航能力還有進(jìn)一步提升的空間。