無人機POS高程精化在城市1∶500免像控測圖中的應用

鐘青，趙茹玥，劉傳逢，魏逸飛，吳嵩，張云霞

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

無人機航測具有機動靈活、快速高效、精細準確、操作簡單、生產效率高等特點，在小地塊和密集建筑地區的高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。可廣泛用于工程測繪、土地資源調查監測和應急救災測繪數據獲取等多個領域[1]。無人機獲取的影像數據，可快速進行二維、三維重建工作，完成數字正射影像(DOM)、數字高程模型(DEM)及三維模型制作，基于三維模型裸眼測圖技術進行1∶500數字線劃圖生產。

搭載實時RTK定位的無人機獲取的正射影像具有高精度POS數據，采用免像控技術可快速進行三維模型重建，基于三維模型可以完成1∶500數字測圖工作。但受限于GPS高程異常影響，三維建模高程精度難以達到規范要求。

為了解決上述問題，本文以DJI P4R無人機為例，選取城市密集建筑區域進行實地試驗，規劃正射影像獲取影像數據，通過似大地水準面模型對POS數據進行高程精化，采用DJI Terra軟件進行三維模型重建[2]。結合地面控制點對三維模型進行精度評價，分析驗證無人機 1∶500在城市密集建筑區測圖的可行性與可靠性。

2 DJI P4R無人機系統簡介

DJI P4R為多旋翼無人機，如圖1所示。將大疆先進的飛控技術與厘米級導航定位系統、高精度成像系統相結合，TimeSync系統、飛控、相機與RTK時鐘系統實現微秒級同步，相機成像時刻毫秒級誤差，可以獲取精準的POS數據。多旋翼無人機起飛靈活，空中飛行姿態穩定，可調整云臺角度，適合高精度航空攝影測量[3]。無人機技術參數如表1所示。

圖1 DJI P4R無人機

DJI P4R無人機技術參數 表1

3 無人航測作業方法

無人機航空攝影測量主要包括技術準備，航線規劃，外業數據采集，內業數據處理等環節[4]，基本流程圖如圖2所示。

圖2 無人航測作業的基本流程

4 項目試驗

4.1 試驗目的

通過實地試驗，實踐完成DJI P4R無人機航測作業的整個流程，根據無人機實驗數據結果，分析設備免像控技術生成三維模型的整體精度，判定DJI P4R無人機作業能否滿足在城市密集高建筑區生產1∶500比例尺地形圖的精度要求。

4.2 測區概況

本次試驗區位于武漢市青山區和平大道，為城市繁華鬧市區，人車流量大，街道兩側多層建筑物密集，整個測區長約 5 000 m，寬約 200 m。根據測區范圍設計 200 m帶狀區域飛行，飛行空域不涵蓋禁飛區，實際航測范圍如圖3所示。

圖3 航測范圍示意圖

本次航測成果平面基準采用武漢2000坐標系(基于CGCS2000坐標系統的武漢市獨立坐標系)，高程基準采用1985國家高程基準。

4.3 外業數據采集

按照航測規范要求，在DJI P4R遙控器中導入測區KML格式范圍線，進行航線規劃和飛行參數設置，根據測區長度和地面建筑高度變化情況，將測區分割為4個航帶范圍分區作業，平行道路方向規劃正射航線。

在測區內均勻布設12個地面控制點，利用WHCORS-RTK方法采集目標坐標系控制點三維坐標，作為三維模型精度檢查點。

采用定時拍照模式，飛行過程中，實時觀察遙控器圖傳畫面，當飛行器抵近高層建筑時，手動操作遙控器后退搖桿，降低飛行速度，增加拍照數量，以提高建筑區航向重疊度，提高三維模型精度。

本次項目航線設計主要參數如下：

(1)相對航高：100 m～150 m

(2)地面分辨率：2.74 cm～4.11 cm

(3)航向重疊度：80%

(4)旁向重疊度：75%

(5)飛行速度：7.9 m/s

(6)拍照模式：定時拍攝

(7)坐標系統：CGCS2000

4.4 內業數據處理

本次航測外業完成4個飛行架次，共獲取854張正射航片，所有POS數據均為固定解。

由于無人機外業采集的坐標為CGCS2000坐標系統下的大地坐標B、L，大地高H，建模之前需要將坐標成果轉換為WH2000坐標系下的高斯平面直角坐標x、y和正常高h。

利用DJI Terra軟件導入所有照片，導出POS數據，利用武漢市似大地水準面精化應用程序進行高程異常改正，如圖4所示，將大地高H轉換到1985國家高程基準下的正常高h，修改POS數據中的高程值，重新導入至建模軟件。

圖4 似大地水準面精化

似大地水準面精化計算公式為：

h正常高=H大地高-ξ

建立高斯投影地方坐標系PRJ文件，導入DJI Terra軟件，將建模成果投影到WH2000坐標系[5]。

采用免像控方案，基于高程精化改正后的POS數據進行空三加密及三維建模工作。在建模軟件中導入地面像控點完成影像判讀、刺點工作。所有控制點均設置為檢查點，不參與空三約束平差，僅用作精度分析[6]。

5 精度分析

本項目以坐標轉換后的POS數據進行絕對定向完成三維重建，地面檢查點來驗證三維模型的精度；檢查點的坐標為(xi，yi，hi)，采用均方根(RMSE)分別計算水平分量中誤差dx，dy，高程中誤差dh。

精度較差計算公式為：

中誤差計算公式為：

根據公式，結合三維模型和對應點檢查點坐標值，計算得到地面檢查點精度，如表2、表3所示。水平分量中誤差dx為 0.027 m，dy為 0.022 m，高程中誤差dh為 0.065 m。其精度優于 1∶500比例尺地形測圖要求。

地面檢查點精度比較 表2

檢查點均方根誤差 表3

6 結 語

本文以DJI P4R無人機為平臺進行1∶500大比例尺測圖的精度分析，選取城市密集高樓建筑區進行航測試驗。規劃任務航線，完成正射影像采集，獲取航測照片及高精度POS數據，影像分辨率優于 5 cm。

利用武漢市似大地水準面精化程序進行POS數據高程異常改正(大地高-正常高)；制作坐標轉換PRJ文件(CGCS2000-WH2000)，進行高斯投影變換；基于POS輔助空三的免像控技術進行三維建模；利用WHCORS-RTK方法采集地面控制點作為像控點，進行三維模型精度分析，經計算，平面和高程中誤差均可滿足《城市測量規范》1∶500數字線劃圖要求。

因此，通過有效的航線規劃和POS數據高程精化處理，DJI P4R無人機能滿足生產1∶500比例尺地形圖的精度要求，從而提高無人機航測作業效率。