無人機在校園地形圖測繪中的應用＊

施艷秋，吳忠翔，馮嘉城，高 航

（1.吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林 132000；2.中國鐵路武漢局集團有限公司武漢橋工段，湖北 武漢 430000；3.中國鐵路濟南局集團有限公司鐵道戰備舟橋處，山東 濟南 250000）

1 引言

地形圖發展歷史久遠，是一個國家關鍵的基礎地理信息材料。日常生活及發展規劃、資源調研都離不開地理信息和不同精度的地形圖。地形圖從紙質發展到數字電子化，從二維到三維。測量方法上經歷了從傳統測量生產體系向數字化系統的轉變[1]。電子測速儀、GPS－RTK、地面三維激光掃描技術（TLS）等前沿高新技術的產生，給數字化測量帶來了不同程度轉變，生產效率大幅提高，精準度上也逐步提高。航空攝影測量、衛星測圖將測繪方式發展為天、空的測量模式。航空作業由于成本高、精度不達標還不能覆蓋大部分地形圖的要求，這為以無人機為平臺的低空攝影測量技術提供了契機。憑借著中國制造的優勢，國產無人機有靈活、成本可控、分辨率高等優越性，借助于地面控制點便可實現大比例尺地形圖外業測繪。目前許多學者致力于免像控傾斜攝影測圖的研究，文獻[2-8]利用不同型號無人機，搭載不同設備，調整不同角度及航測方式，在不同場地探索研究如何制作射影像圖（DOM）和數字高程模型（DEM）及內業如何銜接不同軟件輸出三維模型和二維圖紙，利用無人機在農業、林業、建筑工程、環境工程、交通工程及應急救援等領域，進行不同比例，不同地形和范圍，不同精度的二維及三維測繪研究。

文章采用大疆Phantom 4RTK無人機，該無人機具備厘米級定位系統和優異的流程系統，大大減少了傳統測量測繪中所需的控制基點，簡化了工作步驟，降低了經濟和外業作業時間成本，提高外業效率，在應急保障和具有特殊地理環境和局部小區域地形圖測繪具有明顯的優勢[9-12]。通過無人機飛行用傾斜攝影的方式獲取校園影像數據，外業測量獲取校園數據影像，利用大疆智圖三維建模軟件建立了三維模型，eps2016地理信息工作站三維測圖專版軟件繪制了校園二維地形圖紙（CAD），實現吉林鐵道職業技術學院既有校區建筑物及二期規劃校園地形圖測繪，探索實踐數字化測量生產體系替代傳統測量生產體系的轉化路徑和實現方式。

2 航飛影像數據獲取

2.1 作業前準備工作

主要準備工作包括資料搜集、設備調試、場地踏勘等。

（1）收集吉林鐵道職業技術學院已有資料，基礎地形圖、結構特征，了解吉林鐵道職業技術學院交通位置及詳細地貌情況。

（2）設備檢校，遙控手部及無人機搭載設備及電池情況。

（3）遙控手部、無人機相關軟件是否升級匹配。

（4）提前了解天氣及風速，踏勘選擇吉林鐵道職業技術學院周邊適合的起降場地。

2.2 測區概況及環境信息

吉林鐵道職業技術學院，位于吉林省吉林市。總面積86萬m2，建筑面積49萬m2，二期規劃用地37萬m2。測區屬亞溫帶大陸性季風氣候區，其特點是四季分明，雨熱同季，氣候溫暖濕潤，雨水充沛，風速低緩，霜凍期短，全年主導風向為西南風，其次為西北風，全年平均風速1.4 m/s。測區地形最大高差48.42 m，此次測繪使用的是大疆Phantom 4RTK無人機，四旋翼高精度航測無人機，適用低空攝影，機動靈活，鏡頭夾角60°，井字形航行路線。設計航線航高200 m，航向和旁向重疊度分別為80%和75%，外業航行時間100 min，獲取1 003張影像，測區數據生產作業流程詳見圖1。

圖1 測區數據生產作業流程圖

精靈4數據生產過程中，機載pos數據和基站GNSS數據已經實現功能模塊化，不需要再進行人為控制，內方位元素和原始影像從存儲卡上導入到大疆智圖中已經能自動識別和匹配，測區數據幾乎智能化匹配，根據軟件自帶功能點擊空三測量運算，可查看空三運算數據和效果，效果滿意可繼續下一步整體平面圖生成和三維實景模型構建，構建完三維模型和用于展示和下一步等高線地形圖出圖。實際操作過程中，為了讓三維模型效果更清晰，對校園的主要建筑物進行補拍，通過調整無人機云臺角度拍攝建筑物航拍不容易拍攝的背面和房檐凹凸部位，手控飛行拍攝。

2.3 數據采集過程

航飛影像獲取，包括起飛前設備檢查、無人機航線任務規劃與執行，現場飛行數據整理、重點區域手動補飛。

（1）起飛前設備安全檢查

為確保本次無人機航拍攝影安全，無人機啟動后需要進行自檢，具體如下：①網絡RTK狀態檢查，無線網絡連接檢查、GNSS天線視野開闊、衛星連接數量檢查，指南針校準，排除地磁干擾。②存儲卡檢查、相機設置檢查、清潔相機鏡頭。③旋翼檢查,灰色與黑色旋翼安裝是否匹配。④飛機定位返航點檢查，啟用手部后開啟無人機，等待系統正常連接后，即可起飛。

（2）無人機航線任務規劃與執行

無人機升空后，按照本次作業規劃航線進行數據影像采集，用無人機遙控器對無人機工作狀態和環境進行實時監控，操作人員應時刻關注無人機的飛行狀態、時下風速、飛行的高度及其他指標，如有異常應立刻做出處理確保無人機安全，正常情況下，默認按照規劃航線采集數據，完成后無人機自動返航。本次作業航飛8架次，共采集影像數據1 500張。

（3）現場數據整理

作業現場對飛行數據進行整理，檢查拍攝照片數量和清晰度是否滿足要求，是否出現漏拍現象，若無其他問題，則本次規劃航線拍攝任務完成，可酌情考慮對重點區域進行二次補拍，精細化三維模型的展示和預覽需要對航拍無法拍攝到的側面進行補拍。

（4）重點區域手動補飛

根據現場數據整理情況，再次進行無人機安全檢查，確保無誤后手動升空進行補拍，針對鐵軌，建筑尖頂，建筑物房檐及陰影區域近距離多角度高重疊度補拍。無人機航線規劃有2種實現方式，一種可直接利用無人機遙控器界面地圖進行測區范圍和路線規劃；另一種可以利用奧維互動地圖提前在室內劃定測區范圍，導出KML文件，利用存儲設備上傳到無人機遙控器內存裝置，外業作業時直接調用KML文件，水平面航線規劃詳見圖2。

圖2 水平面航線規劃圖

Phantom 4RTK無人機航測及后處理軟件處理后平面圖成圖精度能滿足校園規劃地形圖精度要求，可根據垂高實現精度調整。無人機自帶避障系統，可以大大減小無人機的碰撞風險。由于該無人機質量較輕，導致在風速較大的情況下無法起飛，所以選取了晴天微風的天氣。前期通過校園探勘和奧維地圖標定規劃最優航線，在執行飛行任務前調整好飛機參數，飛行時用事先規劃的最優航線飛行。考慮冬季電池續航情況差，建議進行室內規劃航線，節約戶外電池用量。

3 數據內業后處理

無人機外業作業結束后轉到數據轉入內業處理，實景三維建模過程包括數據準備、空三加密、建模輸出3個環節[13-15]。數據準備主要是整理航飛影像數據、相機文件、POS 數據以及像控點數據，使其滿足軟件平臺的要求。由于采用免像控無人機傾斜攝影測量技術，在利用大疆智圖進行三維建模時省去了刺點，直接導入影像，設置興趣區域建模，設置輸出坐標系管理，CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 126E坐標系提交空中三角測量[16-19]，完成后點擊新建重建項目，最終生成三維模型，由于生成的三維模型要導入到清華eps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。利用大疆智圖三維建模軟件構建校園三維模型，在構建的實景三維模型基礎上，通過使用eps三維測圖軟件繪制校園地形圖，采集地物地貌特征點、線、面，最后通過內業編輯的方式制作地形圖，三維實景底圖省去繁瑣的外業調繪工作。打開eps2016地理信息工作站三維測圖專版軟件，將osgb模型導入工作空間，在工具欄地貌模塊中選取高程點，鼠標單擊三維模型將所需高程點依據實際地貌以及控制高程點全部提取，根據居民地模塊將所有建筑物邊界拾取，根據交通模塊將主次干道以及小路邊界拾取，根據水系模塊將校園人工湖邊界拾取。eps軟件高程點全部拾取結束進入地膜處理-生成三角網-生成等高線-關閉三角網-輸出外部數據dwg格式，進入cad進行編輯處理[20-22]。處理結果詳見圖3。

圖3 校園二維平面圖

根據地層地貌及建筑物信息修正平面圖，測區所屬地理位置，為丘陵地貌按其成因，可分為構造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌2種類型。構造剝蝕地貌又分為中山、低山、丘陵3個亞區；侵蝕堆積地貌為階地漫灘。中山：地形起伏大，海拔高程在1 000 m以上，切割深度為200～400 m，主要山脊走向為NE→SW，山坡坡度一般為25°～45°。低山：地形起伏大，海拔高程500～1 000 m，切割深度100～300 m，山脊尖頂狀、饅頭狀，山坡坡度為20°～35°。丘陵：地形起伏較大，海拔高程200～500 m，切割深度30～200 m，呈渾圓狀，丘間河谷發育，山坡坡度小于25°。階地漫灘：階地較平坦，主要由沖洪積砂、砂礫石組成，一般高出河水位2～4 m，漫灘主要由沖積砂礫石、礫卵石組成，一般高出河水位0.5～1 m。測區地層情況，新生界第四系地層，具體地層和地貌情況及建筑結構物信息可根據實景三維模型與二維地形圖進行匹配，并對建筑物及道路的具體信息進行現場實際校對后修正到地形圖上，對主要建筑物及校園內主要道路識別標記，最后根據出圖使用情況確定比例尺套用相對應的圖框，地形圖測繪完成。

4 啟示及建議

文章采用大疆Phantom 4RTK無人機傾斜攝影測量技術，獲取吉林鐵道職業技術學院影像數據，利用大疆智圖軟件對校園實景三維建模，模型精度6 cm實景展示校園已有建筑物及二期規劃用地情況。使用eps三維測圖軟件進行數據采集，繪制了校園1：4 000地形圖。

無人機校園測繪相較于傳統測繪具有操作便捷大幅降低人力成本，提高作業效率。86萬m2校園外業作業時間只需100 min，但無人機測繪受限于天氣和蓄電池的使用時間。隨著技術的進步，無人機測繪技術將會更好地服務測繪基礎行業，如鐵路線路檢修、特殊地貌測繪、建筑設計規劃、低空遙感數據獲取等領域。尤其是在布設像控點困難的地區，如懸崖，沼澤地，冰川及地質災害頻發地區，進行局部應急測繪展現三維實景時，大疆Phantom 4RTK無人機傾斜攝影測量技術更具有實用意義。