兩種提高小型四旋翼無人機在大比例尺地形圖測繪工程項目中整體工作效率的方法探討

黃 斌，胡智峰，翟佳輝

（西安煤航遙感信息有限公司，陜西 西安 710099）

在大比例尺地形圖測繪工程項目中，無人機航測已成為一種被廣泛使用的測繪技術，具有成本低、效率高、響應時間短等特點。隨著無人機技術的不斷發展，小型四旋翼無人機集成化程度越來越高，已經可以完成以往只有大型固定翼無人機才能完成的航測工作。從不同的工作環節，使用不同的方法，制定合理的適用于小型四旋翼無人機的作業方案，使其工作效率最大化，是行業工作者需要長期總結的問題。

1 研究提高小型四旋翼無人機在大比例尺地形圖測繪工程項目中整體工作效率的目的

隨著無人機航測技術的普及，無人機在大比例尺地形圖測繪工程中的應用范圍越來越廣泛[1]。無人機航測技術，具有時效性強，成本低等特點，已被廣泛應用于公路鐵路建設規劃、礦山綜治規劃、河流水庫綜治規劃、城市建設規劃等各個方面。小型四旋翼無人機因體積小、智能化程度高，使用門檻低，逐漸受到廣大業內人士的青睞。但受自身體積所限，小型四旋翼無人機的作業效率，始終無法和大型固定翼無人機比較。在實際的項目實施過程中，使用小型四旋翼無人機作業，則必須想方設法提高其作業效率，才能對項目整體進行合理的成本管控。

提高小型四旋翼無人機的作業效率，不僅僅只是提高無人機在飛行任務上的效率，而是一個宏觀統籌的過程。在項目外業工作啟動前，應對項目整體流程進行分解，按照不同的環節，在不同的工作節點上找到有利于提升該節點工作效率的方法，首先實現某個工作節點的工作效率的提升。當所有的工作節點都找到了行之有效的可以提升工作效率的方法之后，制定合理的項目整體工作計劃，分步實施，從而實現對項目整體工作效率的提升。

本文提出的利用往期高分辨率衛星影像為參考規劃像控點位置的方法，用于大比例尺地形圖測繪工程項目中的像控布設環節。像控布設是滿足大比例尺地形圖測繪成果的基礎性的、不可缺少的過程。在實際的外業工作中，作業人員因地形復雜，道路崎嶇，經常需要在沒有外力協助的情況下，以步行的方式攜帶設備，遠距離的前往規劃點布設像控點，不僅時間長、體力消耗大，而且極大地降低了項目整體的工作效率。故此，在可以滿足項目成果精度的前提下，合理的對像控點位置進行微調，不僅能保證項目的成果精度，而且能減少時間成本，提高工作效率。例如，在沒有可供人員車輛迅速到達的需要布設像控點區域，如附近存在距離此像控點位置較近的道路，或附近有固定的地物，如房屋、橋梁等包含以上兩種但不限于以上兩種的固定地物，則可將像控點位置進行微調，重新設置位置。如此一來，不僅減輕了作業人員的工作負擔，而且大幅提高了項目整體的工作效率。

本文提出的另一種利用已有高程數據選擇小型四旋翼無人機起降點的方法，同樣是以提升單節點工作環節的工作效率，來提升項目整體工作效率的一種方法。無人機外業飛行，是一項需要對天氣狀況、地形地貌、航線規劃等方面綜合分析的工作。小型四旋翼無人機受續航能力限制，單架次作業時間短，合理的選擇起降點，不僅能減少小型四旋翼無人機因起降點距離航線起點過遠導致的動力輸出浪費，而且可以減少無效飛行架次，通過多頻次的效率累加，減少或達到與大型固定翼無人機在工作效率上的差距。以作者所使用的大疆精靈4RTK小型四旋翼無人機為例，單架次作業面積約為0.8 平方公里，在合理規劃起飛點的情況下，采用多機并行飛行的模式，使用3組電池便可以完成2.6 平方公里的飛行任務，但如對起降點規劃的不合理，無人機在前往航線起點的距離過長，或起降點距離航線末端航點的距離過遠，不但飛行架次數有所增加，且小型四旋翼無人機與地面站之間的數據通信也會受到影響，信號一旦中斷，小型四旋翼無人機將會啟動應急機制，進入失控返航模式，在這種情況下，只能在無人機降落后，重新上傳航線起飛執行飛行任務，既浪費了時間，又消耗了無人機動力電池的儲備數量，直接導致飛行效率下降，從而影響項目的整體工作效率。

由此可見，研究提高小型四旋翼無人機在大比例尺地形圖測繪工程中整體工作效率的目的，是為了保證以較低的項目成本，迅速完成項目，提升項目各個節點的工作效率，是一項非常重要的基礎性工作。

2 兩種提高小型四旋翼無人機在大比例尺地形圖測繪項目中整體工作效率的方法

2.1 利用往期高分辨率衛星影像為參考規劃像控點位置的方法

在大比例尺地形圖測繪工程項目[2]中，為滿足航測精度需要，往往需要布設像控點。利用往期高分辨率衛星影像為參考規劃像控點位置，如使用奧維地圖等軟件，非常直觀。

首先根據項目精度要求，按照像控點布設規范，以KML范圍為邊界，在奧維地圖等軟件提供的往期衛星影像上，根據測區地形布設像控點。在布設像控點時，應考慮該像控點的布設位置，是否有固定的地物、便于到達的道路，是否有影響像控點布設的不利地貌，如池塘、林地等。同時，根據測區往期的衛星影像，合理地對按照規范布設的像控點位置進行調整，確保像控點既可以滿足項目精度需要，又可以迅速到達。

2.2 利用已有高程數據選擇小型四旋翼無人機起降點的方法

在大比例尺地形圖測繪項目的外業數據采集過程中，為滿足項目精度需要，需要以較低的航高飛行。如選用小型四旋翼無人機作業，由于其存在單架次作業面積小、航時短的問題，往往需要將測區分割成面積差不多的若干個區域，分區飛行。

為保證分區飛行的作業效率，需要十分合理地規劃小型四旋翼無人機起降點。利用已有高程數據疊加測區衛星影像數據，在海拔高的區域，選擇可以使小型四旋翼無人機快速進入航線、且車輛人員易于到達的位置作為小型四旋翼無人機的起降點，不但可以保證小型四旋翼無人機飛控合理的分配動力執行航線任務，而且可以保證數傳、圖傳信號的穩定，避免因數傳、圖傳信號質量差而導致作業任務中斷所造成的工作效率下降。

3 項目案例及成果分析

3.1 項目概況

某風力發電廠1：1000地形圖測繪項目，工作區面積約20平方公里，地形為山區地貌，平均風力4-5級。本項目主要任務是獲取工作區數字化地形圖（DLG-Digital Line Graphic）、正射影像圖（DOM-Digital Orthophoto Map），為某風力發電廠提供基礎地形地貌數據。項目成果采用CGCS2000坐標系高斯克呂格投影，高程采用1985國家高程基準，為滿足地形圖精度需要，需要布設像控點若干。

3.2 航線設計

本項目采用小型四旋翼無人機大疆精靈4RTK作業，為保證作業效率，首先將測區分割為9個面積基本一致的作業區塊，采用分區塊作業的模式進行。同時，為保證數據采集精度及航片數據質量，設置航高300米，旁向重疊度80%，航線重疊度80%，飛行速度13米/秒。飛行航線由大疆精靈4RTK無人機地面站軟件依據測區KML范圍自動生成。

3.3 起飛點規劃

測區分為9個面積基本相等的作業區塊，每個作業區塊面積約為2.5 平方公里，在滿足1：1000成圖精度的前提下，按照大疆精靈4RTK無人機單架次約0.9 平方公里的作業面積，完成每個作業區塊理論上只需要3個飛行架次即可。但因測區屬山區地貌，高差較大，如選擇的起降點位置不合理，實際飛行架次數量必將遠大于理論飛行架次數量。根據利用已有高程數據選擇小型四旋翼無人機起降點的方法，在每個作業區塊海拔較高的區域，篩選出基本上位于該作業區塊中心、且人員車輛便于到達的位置作為起降點，不但保證了無人機通信系統的信號傳輸穩定，而且保證了無人機動力電池在航線飛行中的合理使用，同時避免了頻繁更換起飛場地。依據此方法，在規劃的9塊作業區塊中，共預設起降點13個，其中5個作業區塊僅需一個起降點，即可完成本區域的飛行作業，大大提高了飛行作業的效率。

如圖1所示，根據測區已有高程數據，以等高線數值最高的區域為篩選基礎，預設規劃起降點。圖釘標志為預設的起降點，共預設規劃起降點13個（如圖2所示）。

圖1

圖2

3.4 像控點布設

本項目采用以往期高分辨率衛星影像為參考規劃像控點位置的方法，共布設像控點12個。根據往期衛星影像提供的參考，將部分人員、車輛不易到達的像控點位置進行了重新規劃，在保證項目整體精度的前提下，減小了布設像控點的成本，提升了工作效率。

某原始像控點位置位于測區西南部道路不可到達區域，且無固化路面及固定地物，如不重新規劃此像控點位置，布設此像控點需要作業人員步行前往，且需要以鋪撒石灰或鋪設像控標志相紙的方式布點，攜帶工具多、步行時間長，大大增加了時間成本；將像控點位置重新規劃后，從影像判斷，新的像控點位置位于水泥硬化道路，不僅車輛可以迅速到達，還可以以噴涂油漆的方式布設L型像控標志，具有易于到達、布設成本低、便于操作、不易損毀的特點。

本項目像控點地標采用長度1米、寬度0.3 米的L型紅色噴漆或白色石灰鋪設（如圖3所示），采用RTK測量方式采集L型標志外角，測區內共布設像控點12個。

圖3

3.5 無人機飛行

在測區天氣符合飛行作業要求的情況下（天氣晴朗、風力3-4級），作業人員按照預先規劃的起降點進行無人機飛行作業。無人機航攝成像時間為每日上午10：00至每日下午15：00，共進行了39個架次的無人機飛行，其中有效架次36次，共計拍攝航片2668張。無人機飛行速度13米/秒，飛行姿態穩定。

3.6 數據處理

本項目內業數據處理，在外業相控的基礎上，采用GPS輔助空三技術，利用PIX4D軟件進行空三加密，在此基礎上生成密集的DSM（數字表面模型）點，通過處理DSM點獲取數字高程模型（DEM）數據。然后利用DEM對影像進行正射糾正及鑲嵌，生成數字正射影像（DOM）。最后導入空三加密成果，通過采用航天遠景和cass10.0 軟件，繪制等高線，采集地物信息，進行矢量數據的編輯和整飾，最終形成數字線劃圖（DLG）成果。

表1

3.7 精度分析

通過后期對航飛數據進行數字空三加密可以看出，本項目空三加密的各項精度[3]均滿足規范及設計書的要求，可提高本項目下道工序使用（空三精度報告如表1所示）。

4 結束語

無人機航測技術在大比例尺地形圖測繪工程項目中的運用十分廣泛，根據不同項目的地形地貌，合理地規劃像控點的位置、選擇合適的起降地點，不僅可以減少外業工作量，也可為提高項目各個環節工作效率奠定基礎。按照拆分環節、分段把控、整體提升的方針來不斷總結提高小型四旋翼無人機在大比例尺地形圖測繪工程中整體工作效率的方法，是一種客觀的、符合項目實際工作流程的思路。

本文提出的兩種提高小型四旋翼無人機在大比例尺地形圖測繪項目中工作效率的方法，簡單實用，僅以此兩種方法作為探討，希望給相關工作者一些參考。