無人機仿地飛行在復雜地形水庫傾斜攝影測量中的應用

黃利章

（福建省水投勘測設計有限公司，福建 福州 350001）

0.引言

水庫是由人工在某特定區域開掘或攔河而建的人工湖泊，水庫建設對蓄水、蓄洪、農業灌溉、漁業生產及氣候調節等產生巨大作用。部分水庫建造時間較久，隨著自然環境的改變和人類活動的影響，水庫所處位置的地形、水庫輪廓等可能發生改變，需及時補充水庫位置地形圖，以滿足規劃需求。水庫位置往往處于山溝或河谷地帶，地勢復雜，高低起伏明顯，周圍植被較多，采用傳統的人工手持RTK測量方法較困難，很多地方人工難以到達，精度低且危險系數較高。隨著無人機攝影測量技術的快速發展，具有差分GNSS模塊的小型多旋翼無人機技術逐步成熟，傾斜攝影測量技術憑借其效率高、成圖快、精度高、適應性強的優勢，在復雜地區地形圖測繪、實景三維構建等領域得到極大的推廣應用。為合理調度水庫、及時洪澇預警、細化水庫管理，張宙[1]等人采用傾斜攝影測量技術對南溝門水庫進行1∶2 000地形圖繪制，通過裸眼三維采集的方式制作測區數字線劃圖，結果表明：應用傾斜攝影測量技術進行水庫1∶2 000地形圖測繪成果滿足精度要求。在部分高低起伏明顯地區，無人機仿地飛行技術得到廣泛應用，在常規傾斜攝影測量定高飛行并進行石灰礦地形測量時，由于礦區地勢起伏較大，導致產品分辨率不一致，重疊率無法滿足要求，成圖精度較低。為解決此類問題，辛[2]借助地面像控點，結合多旋翼無人機對石灰礦進行三維建模及礦區地形圖繪制，取得較好的效果。

無人機傾斜攝影測量技術在水庫地形圖繪制中效果較好，仿地飛行也能滿足地勢起伏較大的石灰礦地形圖繪制精度要求，因此將無人機仿地飛行技術與傾斜攝影測量相結合并應用于水庫測量中，以福建省某水庫1∶1 000地形圖繪制項目為例，構建水庫區域模型，利用相關數據處理軟件繪制地形圖，并進行精度評價。

1.傾斜攝影測量技術

無人機技術的快速發展推動了傾斜攝影測量技術的進步，傾斜攝影測量技術主要是通過在飛行平臺上搭載多鏡頭影像傳感器，借助多個影像傳感器從不同角度獲取測區影像數據及地物紋理信息，飛行平臺上還搭載定位系統，可實時記錄影像數據位置信息，利用影像數據進行實景三維模型、DOM（數字正射影像圖）、DEM（數字高程模型）、DSM（數字地表模型）、DLG（數字線劃地圖）的構建。目前傾斜攝影測量技術在城市規劃、文物保護、應急搶險、環境治理等領域應用廣泛，取得較好效果[3]。

無人機飛行平臺具有靈活便捷、適應性強等特點，飛行器平臺上除搭載多視角影像傳感器，還搭載多種傳感器，可實時記錄航高、航向、影像重疊度、影像位置參數，借助傾斜影像并結合相關數據，通過數據處理軟件進行空三處理，可實現地形、地物實景三維模型的高精度構建和地形圖的快速繪制。

相較于傳統攝影測量技術，無人機傾斜攝影測量技術優勢明顯：

（1）操作方便，在相對飛行高度較低的區域，傾斜攝影測量技術較為適用，飛行空域申請流程簡單，對天氣環境的要求相對簡單，對于距城鎮較遠的大型水利工程而言，不用考慮大型飛機的起降要求；

（2）機動靈活，測量實施快捷，準備工作簡單，根據天氣變化可快速進入測區；

（3）費用及人工投入較少，設備使用消耗較少；

（4）安全系數較高，無人機降低了人工外業工作量，尤其是在環境復雜或氣候變化較大的地區，保障了工作人員的人身安全。

2.仿地飛行

在某區域高程已知的情況下，隨著地勢起伏，無人機在飛行作業過程中可保持與地面相對高程穩定不變，該技術稱為仿地飛行技術如圖1所示。憑借仿地飛行技術，地勢起伏明顯的地形區域，可根據其不同高度設定飛行高度，提高飛行數據采集質量，保障數據分辨率的一致性[4]。

圖1仿地飛行示意圖

通常情況下，測區內包含山體或建筑物時，高程變化較大，以固定航高進行數據采集時，遇到高程較高的區域，易造成采集的影像視角范圍內地物較少、覆蓋范圍較小的情況，從而導致相鄰高差較大的區域影像重疊度不足，后期空三處理失敗。利用仿地飛行技術可隨著地形變化及航高優勢，提高影像重疊度和空三處理的成功率，保障地面分辨率一致性，提高數據精度，同時降低飛行器撞山的概率。

目前常用的仿地飛行有以下兩種：

（1）預飛行模型，采用傳統模式在測區內進行數據采集，并制作該區域DSM，導入預飛行制作的DSM，并以此進行航線規劃。該方法適用于地物植被復雜、建筑物高程不明確的區域；

（2）已有DEM（數字高程模型），借用已公開的DEM數據代替DSM數據，由于DEM數據缺少植被、建構筑物等高程信息，故在該方法使用過程中，需對測區內的相關地物信息進行詳細分析。全國公開DEM數據有空間分辨率為SRTM90m、ASTER GDEM30m、ALOS12.5m的供下載。

3.傾斜攝影測量仿地飛行技術應用

針對水庫區域的地形地貌和無人機仿地飛行特點，考慮采用大疆M300 RTK無人機，輔以少量地面控制點和千尋網絡RTK服務，設置較高的重疊度(航向80%、旁向70%)對測區進行仿地飛行模式航測，在Context Capture中建立實景三維模型，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2所示。

圖2傾斜攝影測量地形圖生產流程

3.1 飛行設備

大疆M300 RTK是大疆公司推出的最新款多旋翼行業應用無人機，具有精度高、續航時間長、抗干擾能力強、操作簡單等優勢，配合大疆禪思P1相機，利用其仿地飛行模式，適合本次傾斜影像數據的采集。大疆M300 RTK航測系統由無人機飛行平臺、影像傳感系統、飛控系統以及軟件支撐平臺組成。具體參數如表1所示。

表1大疆M300RTK與大疆禪思P1相機航測系統參數

3.2 航線規劃

通過預飛行制作DSM數據，并以此作為仿地飛行的航線規劃地形參照數據，重疊度設置為航向80%，旁向重疊度70%。

3.3 像控點布設

為保障航向重疊度合理性、灰度一致性，降低影像匹配難度，提高匹配精度，采取區域網布點的像控點布設方法，由RTK技術統一布點，在測區外圍布設角點像控點，在測區內部合理均勻增加像控點，像控點間隔應小于600 m，整個測區布設36個像控點，其中12個為像控點檢測點，用于精度檢驗，以CSCS 2000坐標系統為本次測區平面坐標系統，使用高斯投影方式，本次試驗采用1985國家高程基準[5]。

3.4 傾斜影像采集

數據采集時要確保網絡信號通信良好，使用千尋網絡RTK服務配合大疆M300 RTK航測系統仿地飛行模塊進行本次傾斜數據的獲取，注意起降位置周圍環境情況，保障無人機系統作業安全。數據采集階段規劃5個航次飛行，獲取傾斜影像數共2123張。

3.5 傾斜攝影測量關鍵技術

3.5.1數據質量檢測

數據準備階段首先要分析無人機獲取的傾斜數據是否滿足空三解算要求，剔除采集的無法使用或不涉及繪圖區域的數據，通過該步驟保障空三解算的成功率，提高空三解算的精度。其次準備相機相關參數及POS數據，為下一步空三解算作準備。

3.5.2空三解算

根據地面控制點，結合空間前方交會和空間后方交會原理，可解算出未知點的坐標和影像外方位元素，通過此參數進行模型定向，此過程稱為空三解算或空三加密。空三解算時第一步進行自由網平差，自由網平差需結合地面控制點，導入地面像控點并進行刺點，若該控制點在多個影像中重復出現，可選擇該點作為刺點。

完成刺點后，即可對影像數據進行區域網平差，進而完成空三解算。

空三解算通常借助數據處理軟件實現，本次采用Context Capture軟件，空三解算成果可在空三結束后報告中查看，判斷空三結果是否合格。

3.5.3實景三維模型構建

實景三維模型構建是自動化處理過程,需提前設置構建模型范圍、瓦片大小、輸出格式、坐標系統等,設置完成后提交生產任務，自動進行實景三維模型構建。自動構建的實景三維模型較粗糙，存在一定的畸變，需進行模型修飾細化，細化后的實景三維需進行精度檢驗，檢查是否合格。檢驗合格的實景三維模型可導入EPS軟件進行裸眼地形圖繪制，具體流程如圖3所示，部分區域數字線劃圖如圖4所示。

圖3 EPS三維繪圖流程圖

圖4部分區域數字線劃圖

4.精度分析

地形圖精度分析通常可采用傳統數字化測圖繪制的地形圖與傾斜攝影測量地形圖進行對比，同時采用對應檢查點對地形圖進行精度分析，其檢查點位置可選擇房角點、路燈、道路標識牌等。

利用測區內預留的12個檢查點，將RTK坐標與圖上坐標進行比較，以RTK坐標為真值，求解傾斜攝影測量地形圖測量結果的中誤差，如式（1）所示：

式（1）中，ms為平面中誤差；mh為高程中誤差；Δsi為平面殘差；Δhi為高程殘差，n為檢查點個數，計算結果如表2所示。

表2地形圖精度結果 單位：cm

由表2可知：平面中誤差為5.6 cm，高程中誤差為8.1 cm。傾斜攝影測量結合仿地飛行技術能完成1∶1 000水庫地形圖繪制及精度要求。

5.結束語

復雜地區水庫地形圖繪制需考慮固定航線高度飛行存在的問題，本文采用傾斜攝影測量技術并結合無人機仿地飛行功能，實現高差較大區域的水庫地形圖與實景三維模型的高精度繪制與重建：

（1）針對仿地飛行的關鍵技術進行詳細論述，并對兩種仿地飛行實現方向進行分析，為提高繪圖精度，保障繪制效率，本文選擇預飛行模式，先進行測區DSM數據粗略采集，并以此規劃航線；

（2）闡述傾斜影像地形圖與實景三維模型構建流程，對所測水庫區域的地形圖進行精度檢驗，結果顯示，該方法滿足繪圖精度要求，可行性較高。