免像控大疆精靈4 RTK無人機在數字校園測圖中的應用

藺建強，甘淑，袁希平，王睿博

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.云南省高校高原山區空間信息測繪技術應用工程研究中心，云南 昆明 650093； 3.滇西應用技術大學，云南 大理 671009)

1 引 言

地形圖的發展歷史悠久，是一個國家的重要基礎地理信息成果。小到出行，大到城市規劃、資源調查都離不開地形圖。在表現形式上，地形圖從紙質發展到電子地圖。在測量方式上經歷了由傳統測量生產體系向數字化測量生產體系的轉變[1]。全站儀，即全站型電子速測儀(Electronic Total Station)、GPS-RTK、地面三維激光掃描技術(TLS)等新技術的出現，給地形圖的測量帶來了革命性的改變，大大提高了作業效率和測量精度。航空攝影測量技術、衛星測圖將地形圖的測量方式發展為天、空的測量模式。但由于各種原因，如成本高、成圖周期長、精度還不能滿足大比例尺地形圖的要求等，這也為以無人機為平臺的低空攝影測量技術的應運而生提供了契機。憑借著機動靈活、成本低廉、高分辨率等優越性，借助于地面控制點便可完成大比例尺地形圖測繪。但由于其仍然需要外業布設像控點，耗費大量人力物力，許多學者致力于免像控無人機傾斜攝影測圖的研究，取得了可觀成效。文獻[2]利用天狼星無人機航測系統對 1∶500地形圖測圖的可行性進行研究，獲取了高分辨率的正射影像圖(DOM)和數字高程模型(DEM)，精度評定的平面點位中誤差為 0.049 m，高程中誤差為 0.059 m。文獻[3]以校園作為研究區對免像控無人機傾斜攝影測量技術的可行性和精度進行驗證，利用Context Capture三維建模軟件和清華山維EPS三維測圖軟件繪制了校園的地形圖和建筑單體模型，通過抽樣檢查得到平面點位中誤差為 0.034 m，高程點位中誤差為 0.017 m，可用于 1∶500地形圖的生產。文獻[4]在新能源發電場的地形圖測繪中應用了免像控無人機航測技術，檢查點平面中誤差為 0.068 m，高程中誤差為 0.093 m，精度滿足其工程測圖需求。文獻[5]利用天狼星免像控無人機航測系統對棚戶區進行了 1∶500的數字線劃圖(DLG)的生產，通過外業實地檢測，平面中誤差為 0.281 m，高程中誤差為 0.142 m，符合規范和設計要求。文獻[6]利用天狼星無人機、AgisoftPhotoScan三維建模軟件、清華山維EPS2008三維測圖軟件生成數字高程模型(DEM)、正射影像圖(DOM)、點云等成果數據，并制作了 1∶500地形圖。通過對免像控無人機獲取影像制作的地形圖和有像控無人機獲取影像制作的地形圖進行對比分析，其平面中誤差和高程中誤差的差值分別為 0.023 m和 0.026 m，證實了免像控無人機傾斜攝影測量技術應用于地形圖測圖的可行性。文獻[7]基于無人機傾斜攝影測量技術進行數字校園三維建模，并與傳統的三維建模方法進行了對比分析，得出無人機傾斜攝影測量技術可以快速獲取和重建三維模型。文獻[8]采用多旋翼無人機搭載5鏡頭對校園進行實景三維模型構建，運用Context Capture三維建模軟件和DP-Modeler模型精細化軟件，成功構建了校園三維實景模型。文獻[9]采用六旋翼無人機和5鏡頭傾斜相機實證了利用無人機傾斜攝影測量技術構建校園三維模型是滿足三維數字校園建設的需要。文獻[10]對無人機傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測圖的可行性進行了實踐論證。此外，無人機傾斜攝影測量技術還應用到礦山監測中[11]、古建筑保護[12]、滑坡監測[13]。文獻[14]詳細全面介紹了無人機在農業、林業、考古和建筑學、環境、交通等領域無人機技術的應用。綜上所述，依靠少量地面像控點，無人機傾斜攝影測量技術可以基本滿足相關行業和領域的應用要求，但是在林業、冰川、沼澤地、泥石流滑坡、高山懸崖地形等布設像控點困難的應用領域，免像控無人機傾斜攝影測量技術的應用研究顯得尤為重要和具有研究意義。因此，本文利用大疆精靈4 RTK無人機免像控采集了昆明理工大學蓮華校園的無人機影像，借助Context Capture三維建模軟件和SV365三維測圖軟件裸眼生產數字校園地形圖，并采用全站儀對其測量精度進行了檢查。結果證明大疆精靈4 RTK無人機能達到免像控校園數字化快速測圖的要求。

2 大疆精靈4 RTK無人機及數據采集

2.1 大疆精靈4 RTK無人機

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行[15]。無人機航測系統主要包括飛行平臺、載荷傳感器系統、飛行控制系統、地面監控系統、數據傳輸系統[16]。大疆精靈4 RTK無人機平臺參數和相機構參數如表1、表2所示：

大疆精靈4RTK無人機平臺參數 表1

大疆精靈4RTK無人機相機參數 表2

2.2 數據采集

數據采集部分主要包括實地踏勘、航線規劃與參數設置、飛行數據檢查等。實地踏勘是對飛行區域進行熟悉，從而了解其環境的復雜程度，以便準確確定后期的飛行參數設置。如航高、航向重疊度和旁向重疊度等。航線規劃與參數設置根據大疆精靈4 RTK無人機自帶航線規劃軟件進行規劃與參數設置。有關飛行參數如下：航高 80 m；航向重疊度80%、旁向重疊度80%；天氣為陰天；單鏡頭傾斜60°飛行5個架次，用時約 25 min，共獲取433張相片。飛行數據檢查是檢查獲取影像的質量、數據是否完整等。

3 ContextCapture+SV365一體化內業數據處理

3.1 ContextCapture三維建模

由于采用免像控無人機傾斜攝影測量技術，在利用ContextCapture進行三維建模時省去了刺點，直接導入影像，設置傳感器尺寸和焦距大小，檢查影像文件的完整性。然后提交空中三角測量，完成后點擊新建重建項目，如果影像很大的話，要在空間框架中進行切塊設置后提交新的生產項目，最終生成三維模型，由于生成的三維模型要導入到SV365三維測圖軟件中，所以提交新的項目時要將最終的三維模型格式設置為osgb格式。此外，在完成空中三角測量的基礎上可按照需要快速生成三維點云、正射影像(DOM)和數字表面模型(DSM)等測繪產品。ContextCapture三維建模流程圖如圖1所示：

圖1 ContextCapture三維建模流程圖

三維模型如圖2所示：

圖2 三維模型

3.2 SV365三維數據采集

打開SV365三維測圖軟件，選擇SV365工作空間的三維測圖模塊，將格式為osgb的三維模型導入SV365三維測圖軟件，然后對三維測圖參數設置。有兩種設置方式，一種是直接對三維建模的格式為XML的文檔metadata的參數進行設置，如圖3所示。另一種是在三維測圖模塊下的三維設置進行，如圖4所示。圖5是利用SV365繪圖面板下的居民地繪制的圖書館。

圖3 metadata參數設置

圖4 三維測圖參數設置

圖5 SV365繪制的圖書館

4 精度評定

實踐經驗可知，全站儀的測量精度是高于RTK測量精度的，因此，文章采用國產的蘇州一光全站儀進行了檢查點測量，儀器設備和精度如下。全站儀一臺：型號，RTS332SR5B；精度：±(2+2×10-6×D)mm；腳架一副，三腳對準桿一副，棱鏡一個。由于采集數據范圍小，校園地形平坦，所以僅測量10個檢測點。檢查點分布如圖6所示：

圖6 檢查點分布圖

從表4的坐標精度統計表中可以看出檢核點平面點位較差最大值為 0.059 m，最小值為 0.011 m，平面點位中誤差為 0.037 m，根據規范《基礎地理信息數字成果 1∶500、 1∶1 000、 1∶2 000數字線劃圖》[17]，在平地、丘陵地區，1∶500比例尺的數字正射影像圖明顯地物點的平面位置中誤差不應大于 0.3 m，平面精度符合規范要求。檢核點高程點位較差最大值為 0.047 m，最小值為 0.008 m，高程點位中誤差為 0.035 m，根據規范《基礎地理信息數字成果 1∶500、1∶1 000、1∶2 000數字線劃圖》，在平地、丘陵地區， 1∶500比例尺的數字正射影像圖明顯地物點的平面位置中誤差不應大于 0.2 m，高程精度符合規范要求。

坐標檢核統計表 表3

坐標檢核統計表 表4

5 結 論

本文采用大疆精靈4 RTK無人機傾斜攝影測量技術，獲取校園影像數據，利用ContextCapture三維建模軟件進行了數字校園三維建模，得到了較好的三維模型。使用SV365三維測圖軟件進行數據采集，繪制了圖書館的數字線劃圖(DLG)，并用蘇州一光全站儀測量檢核點與SV365采集的影像同名點坐標進行精度比對，得出了平面點位中誤差為 0.037 m，高程點位中誤差為 0.035 m，精度均符合規范要求。不足之處是用ContextCapture三維建模軟件建立的三維模型不能單體化。另外影像采集范圍較小，地形平坦，后期主要將自然地形復雜的地形地貌作為實驗區，比如泥石流溝谷跡地、高山峽谷地帶等進行無人機傾斜攝影測量技術的研究與應用。隨著人工智能時代的到來，相信無人機傾斜攝影測量技術會更高精度和更智能化。更好地服務測繪基礎行業，如公路測量、水庫大壩監測、礦山測量、低空遙感數據獲取等領域。