無人機仿地飛行在銅川地區(qū)某石灰?guī)r礦區(qū)測圖中的應(yīng)用

辛 赟

(西安建材地質(zhì)工程勘察院，陜西 西安 710003)

1 引言

傳統(tǒng)的礦區(qū)地形測量依靠全站儀結(jié)合GPS數(shù)字化作業(yè)方式，由于礦區(qū)往往位于山區(qū)地形復(fù)雜、高差較大且交通不便，往往需要耗費大量的人工外業(yè)，導(dǎo)致效率低下，同時也存在一定的危險性[1]。近年來，無人機航測技術(shù)得以快速發(fā)展，使得航測已經(jīng)作為主要的測量手段應(yīng)用到社會生產(chǎn)活動的各個領(lǐng)域[2]。小型無人機航測技術(shù)具有反應(yīng)迅速、操作簡單、機動靈活的特點，特別是帶有差分GPS模塊的小型多旋翼無人機的出現(xiàn)使得無人機外業(yè)獲取高分辨率和高精度的影像更加方便[3]，采用配套內(nèi)業(yè)處理及地形圖數(shù)據(jù)采集軟件大幅提升了礦區(qū)地形圖采集作業(yè)的效率和安全性。本文結(jié)合實例就使用大疆精靈4RTK無人機仿地飛行在礦山地形測繪中的應(yīng)用進行介紹。

2 無人機航測技術(shù)介紹

2.1 礦山地形圖航測的特點

礦山航測需要在地形起伏較大的山區(qū)進行航飛作業(yè)，幾百米的高差如果規(guī)劃為單一航高的航線，無論是成像質(zhì)量還是相片重疊度都較難保障。石灰?guī)r礦區(qū)主要為自然地貌，地類單一、建筑物稀少，在保證分辨率和重疊度較高的情況下，使用垂直方向的正攝影像即可建立實體三維模型。

2.2 無人機仿地飛行技術(shù)

無人機是一種通過無線遙控設(shè)備進行控制具有自動駕駛能力的飛行器，搭載可量測相機就對規(guī)定區(qū)域進行信息采集，由地面接收設(shè)備進行信息接收，通過對信息的分析、確認、篩選，獲取地表信息及高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)[4]。

航測無人機主要分為固定翼無人機和多旋翼無人機，固定翼無人機具有飛行速度快、航高較大、續(xù)航時間較長、作業(yè)范圍廣以及操作較為復(fù)雜的特點，適宜進行大面積測圖，而多旋翼無人機具飛行速較低、航高較小、續(xù)航時間短、作業(yè)范圍小且操作簡單靈活的特點，適宜小面積復(fù)雜地形航測[5]。

近年來，隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，新的技術(shù)不斷地被應(yīng)用到航測領(lǐng)域?！胺碌仫w行技術(shù)”因其可以很好地解決地勢起伏大使得相鄰影像重疊度不夠而導(dǎo)致空三失敗現(xiàn)象，能夠保持地面分辨率基本一致[6]，保證模型的精度，降低為保證模型效果危險航飛使飛機撞山的概率。無人機仿地飛行需要已知基準的DSM數(shù)據(jù)進行航線規(guī)劃。

2.3 大疆精靈4RTK無人機簡介

RTK服務(wù)類型有三種，分別為專配的D-RTK2移動站、千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)和自定義網(wǎng)絡(luò)RTK(省網(wǎng)絡(luò)CORS站)。RTK標稱精度為水平 1cm±1×10-6×D，垂直 1.5cm±1×10-6×D(式中D為無人機與CORS站的距離，mm)。大疆精靈4RTK無人機屬小型多旋翼無人機，其特點是：①支持實時差分定位(RTK)和后差分處理(PPK)；②支持仿地飛行模式，可根據(jù)測區(qū)范圍內(nèi)已知DSM數(shù)據(jù)進行航線規(guī)劃。DSM數(shù)據(jù)獲取方式通常有以下兩種。

(1)使用localspace下載谷歌地形，此法適用于地形沒有較大的人工改變，可以從影像和實地觀察判斷，以避免實地地形數(shù)據(jù)與下載到的DSM數(shù)據(jù)差異較大導(dǎo)致仿地飛行航線不準而導(dǎo)致的無人機撞山風險。

(2)采用高于測區(qū)最高處海拔160m的航高對測區(qū)預(yù)航飛一次，預(yù)飛的分辨率可以在保證飛行安全的前提下適當降低，對獲取航片進行處理得到粗略的DSM(最低分辨率＞1m)，以該DSM文件用作仿地飛行航線規(guī)劃的地形參考數(shù)據(jù)。

2.4 無人機航測技術(shù)流程

針對礦山地形地貌和無人機仿地飛行特點，嘗試采用大疆精靈4RTK無人機輔以少量地面控制點和連接千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，設(shè)置較高的重疊度(航向80%，旁向70%)對測區(qū)進行仿地飛行模式航測，在ContextCapture中建立實體三維模型[7]，最后在EPS中進行三維立體采集成圖并進行成果精度驗證。具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

3 項目實例

3.1 測區(qū)簡介

以銅川市某地石灰?guī)r礦山為研究區(qū)域，該礦山為南北走向的石灰?guī)r礦山，測區(qū)面積1.1km2，區(qū)內(nèi)植被稀少，北高南低，高差最大約為350m，需獲取成果為1∶1000比例尺地形圖。

3.2 航線規(guī)劃

經(jīng)實地踏勘，測區(qū)地貌人工改變程度不大，可采用下載精度為30m的DSM數(shù)據(jù)作為仿地航測的航線規(guī)劃地形參照數(shù)據(jù)。因測區(qū)地形起伏較大，在規(guī)劃仿地飛行航線時，為確保無人機與遙控器之間的數(shù)據(jù)傳輸不受影響，選擇測區(qū)內(nèi)或者附近較高位置作為起降點。為保證1∶1000比例尺地形圖成圖精度并兼顧模型質(zhì)量，設(shè)置像素分辨率為6cm，則對應(yīng)航高設(shè)置為160m，重疊度設(shè)置為航向80%，旁向70%。

3.3 像控點布設(shè)

由于測區(qū)地形起伏較大，為保證精靈4RTK航測成圖時高程精度，在航測區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)了6個像控點用以相片糾正。

3.4 相片獲取

在起降點移動網(wǎng)絡(luò)信號良好條件下，采用千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)進行航測飛行。飛行過程中需要注意的是，大疆精靈4RTK無人機執(zhí)行仿地飛行任務(wù)時，為保證飛行安全，將任務(wù)起始設(shè)置在區(qū)域內(nèi)較高的位置，每次起飛后會以規(guī)劃航線的任務(wù)起始點的高程從起飛點開始直線飛行，作業(yè)過程中避免在測區(qū)最低點位置低電量返航，盡量提前手動返航。本次共飛行三個架次，采集航片604張，航拍點為空三結(jié)果圖(圖2)中的黑色點，航拍點處的高程根據(jù)地形起伏進行了調(diào)整。

圖2 仿地飛行航拍點示意圖

3.5 數(shù)據(jù)處理及精度分析

3.5.1 數(shù)據(jù)處理流程

(1)內(nèi)業(yè)影像建模處理采用ContextCapture三維建模軟件進行。

(2)新建區(qū)塊并導(dǎo)入具有RTK位置信息的影像。

(3)在Control Points控制點編輯界面里進行控制點影像關(guān)聯(lián)，本次外業(yè)控制點使用CGCS2000/3-degree-Kruger CM 108E坐標系，外業(yè)采集像控點6個，每個像控點均保證5張以上影像刺點，保證空三加密成果精度1912.16。

(4)提交空三加密任務(wù)，軟件對大量影像特征點進行計算提取，并予以同名點匹配，反向解算出每一張相片的姿態(tài)角和空間位置以及影像之間的關(guān)系[8]?？杖馑愠晒稍诳杖Y(jié)束后報告中進行查看，判斷空三結(jié)果是否合格。

3.5.2 模型精度檢查

通過軟件進行相片鏡頭畸變檢查結(jié)果見下。

相機名稱：DIJFC6310R 8.8mm 5472*3648，相機類型：透視。

表1 相機鏡頭畸變報告

從表1相機畸變報告可以看到DJI FC6310R鏡頭畸變極低，相機參數(shù)值優(yōu)化前與優(yōu)化后基本完全重合，數(shù)據(jù)質(zhì)量合格。

由表2可見像素點RMS控制在0.48，保證了模型精度，空三質(zhì)量合格。此次在測區(qū)內(nèi)部均勻布設(shè)6個像控點作為地面控制點，并引入到空三加密區(qū)域網(wǎng)解算。每個像控點保證至少有5張相片參與刺點，預(yù)刺點位與實際控制點重投影誤差在0.01～0.03個像素。地面控制點的坐標通過GPSRTK連接陜西省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站測量出坐標值，精度優(yōu)于5cm，通過每一個點的誤差值，分別得到控制點和檢查點的X、Y、Z方向的中誤差，像控點區(qū)域網(wǎng)平差后結(jié)果見表3。

表2 空三質(zhì)量預(yù)覽

使用RTK實地采集地面特征點為檢查點，將DAT文件導(dǎo)入CAD，與使用EPS從模型采集的數(shù)據(jù)進行比對[9]，結(jié)果顯示，模型采集數(shù)據(jù)與實測較差滿足要求。本項目統(tǒng)計了圖3所示礦山范圍內(nèi)水池及其他幾處明顯地物點作為檢查點，檢查點平面中誤差最大±0.077m，高程中誤差最大±0.106m，完全滿足《數(shù)字航空攝影測量—空中三角測量規(guī)范》及國家1∶1000地形圖測量精度要求。具體取值及計算見表4。

表3 控制點中誤差統(tǒng)計 (單位：m)

從表4可以看出，在地形高差較大的礦區(qū)采用大疆精靈4RTK無人機連接千尋網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，設(shè)置較高的重疊度(航向80%，旁向70%)進行仿地形飛行航測，使用少量像控點的情況下就可以快速建立高精度的三維實體模型，數(shù)據(jù)采集精度滿足本次測繪任務(wù)需求[10]，項目部分生產(chǎn)成果如圖4所示。

圖3 檢查點平面中誤差示值意圖

表4 檢查點中誤差統(tǒng)計 (單位：m)

4 結(jié)語

圖4 數(shù)字線畫圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正攝影像圖成果實例

大疆精靈4RTK無人機仿地功能在高差較大礦山區(qū)域航測時，可以很好地解決由于地形起伏較大時造成相鄰影像重疊度不夠?qū)е驴杖‖F(xiàn)象[6]，能夠保持地面分辨率基本一致，同時采用少量像控點可以有效彌補其在高差環(huán)境較大情況下的高程精度不夠的問題，提高了測量的精度。