摘要
地形測量是一項復雜而且系統(tǒng)化的測量作業(yè)任務，航空攝影測量已經(jīng)占據(jù)地形測量的主戰(zhàn)場，然而傳統(tǒng)的航攝系統(tǒng)不僅成本高對天氣、空管調(diào)度等作業(yè)條件要求苛刻，而且對作業(yè)人員技術要求也非常高，作業(yè)周期無法保證，制約著航空攝影測量的快速發(fā)展與普及。無人機航攝系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航攝系統(tǒng)的有益補充，以其機動靈活、高效快速、節(jié)約人力成本等優(yōu)勢在航攝領域迅速得到廣泛應用。本文以天狼星免像控無人機航攝系統(tǒng)在內(nèi)蒙古某露天礦地形測量項目為例，在無需地面控制點的情況下完成DOM、DEM、點云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)任務，通過精度分析實現(xiàn)了大比例尺地形圖測制的精度要求，為地形復雜，工作人員無法進入實地測量的地形測量工程項目提供了很好的借鑒。
引言
近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,地形測繪手段已由純?nèi)斯げ杉c位數(shù)據(jù)發(fā)展為航空攝影來獲取和更新地形圖以及地理信息數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)航攝方式由于成本高、對天氣、空管調(diào)度難等作業(yè)條件限制，不適合小范圍地形圖數(shù)據(jù)采集與更新作業(yè)，然而基于無人機平臺的航攝系統(tǒng)顯示出靈活機動、高效快捷、響應能力強、作業(yè)成本低的特有優(yōu)勢，特別適用于小區(qū)域和應急數(shù)據(jù)獲取。因此，從地形測繪工作質(zhì)量與效率提升的層面考慮，本文以天狼星航攝系統(tǒng)在內(nèi)蒙某礦區(qū)地形測量工程的應用出發(fā)，在無需地面像控點的情況下完成DOM、DEM、點云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)任務，并進行精度分析，其實際測量精度滿足大比例尺礦區(qū)等復雜地形圖精度要求。
1天狼星無人機航攝系統(tǒng)技術優(yōu)勢
1.1內(nèi)置高頻RTK接收模塊，實現(xiàn)免像控航攝
在傳統(tǒng)航攝作業(yè)模式下，布設地面圖像控制點是一項必不可少的工序，不僅占用著項目的人力物力，同時占用著項目至少30%的工期，如果在無人區(qū)，沒有明顯特征點的方位物或者地形復雜的地區(qū)，像控就成了制約航攝的瓶頸，在當前地形圖測繪項目中經(jīng)常遇到工作人員進入困難甚至無法人工進入作業(yè)的情況，這將大大增加項目開支并延長項目工期。在傳統(tǒng)航攝由于云層遮擋等原因造成的空白區(qū)，要花費大量的時間、人力物力進行采集數(shù)據(jù)，這樣往往是要損失測繪精度的代價才能完成。
天狼星無人機航攝系統(tǒng)采用地面基站模式，機身上搭載著100HZ刷新率的 GPS RTK裝備，在航飛的同時即可實時獲取高精度無人機定位信息，該定位信息不僅用于無人機自動導航與飛行姿態(tài)調(diào)整，而且能保證在航拍的同時獲取高精度POS信息。具有RTK固定解精度的POS信息使得每張照片攝影瞬間攝影中心、照片、地面(地物)之間具備高精度的方位元素信息，從而實現(xiàn)免像控狀態(tài)下平面精度、高程精度能夠滿足大比例尺地形測量的要求。
實驗區(qū)航拍曝光點位分布圖/圖 來源網(wǎng)絡
1.2MAVinci Desktop制定飛行計劃實現(xiàn)智能化航飛計劃管理
MAVinci Desktop可以提前根據(jù)測區(qū)范圍制定飛行計劃，同時根據(jù)測區(qū)需要由作業(yè)者臨時指定目標區(qū)域和指定期望的GSD進行創(chuàng)建飛行計劃。作業(yè)者可以根據(jù)實際需要通過點選范圍快速制作飛行計劃、模擬飛行、優(yōu)化調(diào)整等操作。在地形高低起伏較大的情況下，無人機可以根據(jù)地形起伏自適應改變飛行高度，既能保證無人機飛行安全也能保證影像重疊度，確保影像獲取的質(zhì)量。
MAVinci Desktop采用高集成化一鍵設計飛行計劃，只要輸入想要的作業(yè)精度值(GSD)，導入作業(yè)范圍文件便可以實現(xiàn)航線自動劃分，飛行高度自適應，自動設定飛行帶寬及重疊率等技術參數(shù)，大大提高了工作效率。
點選范圍點快速實現(xiàn)模擬飛行計劃/圖 來源網(wǎng)絡
1.3AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測量與建模軟件實現(xiàn)航拍成果快速輸出
天狼星無人機航攝系統(tǒng)采用的AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測量與建模軟件進行空三加密。AgiSoft PhotoScan Pro允許生產(chǎn)高分辨率正射影像和極其精細的DEM/紋理多邊形模型，同時無需設置初始值，無需相機校準，完全自動化的操作流程可以讓一個非專業(yè)人員在桌面電腦上處理數(shù)以千計的航空像片并生產(chǎn)專業(yè)級的航攝測量數(shù)據(jù)。AgiSoft PhotoScan Pro數(shù)據(jù)支持幾乎所有的市場上面向無人機數(shù)據(jù)處理的解決方案與軟件程序。
內(nèi)蒙礦區(qū)試驗區(qū)實現(xiàn)4架次共計3小時飛行，有效作業(yè)面積4.6km2，1460張圖片，12小時全自動空三加密、一鍵生成DOM、DEM、點云數(shù)據(jù)，2小時自動提取點云高程點并生成等高線。整個項目一個作業(yè)小組3人在3天時間內(nèi)輕松完成。
2.工程實施
2.1工程概況及航飛參數(shù)設定
項目要求：獲取高精度地表數(shù)字高程模型用于礦區(qū)土石方量計算與開挖設計;工程概況：測區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市境內(nèi)，地理坐標為東經(jīng)106°09′-106°10′，北緯40°37′-40°39′內(nèi);測區(qū)面積4.6km2;平均海拔1650m，最低海拔1580m，最高處1720m。該測區(qū)地形起伏較大，崎嶇不平，地表裸露無高大植被覆蓋，屬于典型的戈壁地貌，采用常規(guī)無人機航測方式缺少明顯特征地物用于像控點布設或采集，同時高程精度也難于保證，因此選擇天狼星免像控無人機航攝作業(yè)方案。
實地工作環(huán)境為最高溫度4℃，氣溫較低，為保證無人機自身安全，續(xù)航時間設定為35分鐘，在MAVinci Desktop飛行計劃軟件中自動劃分4個飛行時段，選擇兩處起降場地。其他參數(shù)設定為GSD地面采樣間隔8cm，自適應地形起伏模式，相對飛行高度340m;航向重疊度80%，旁向重疊度65%。
2.2無人機航攝系統(tǒng)測制地形圖工作流程
無人機航攝復雜地形(內(nèi)蒙測區(qū))工作流程圖/圖 來源網(wǎng)絡
本工程采用的航線設計、航飛和影像快速拼接都在MAVinci Desktop程序下完成，AgiSoft PhotoScan Pro程序?qū)崿F(xiàn)了快速空三直接生產(chǎn)DOM、DEM及點云數(shù)據(jù)，然后將DEM數(shù)據(jù)導入Global Mapper軟件，利用3D矢量創(chuàng)建高程網(wǎng)格，自動生成1m基本等高距的等高線地貌數(shù)據(jù);部分地形矢量數(shù)據(jù)通過EPS虛擬測圖軟件進行采集獲取。
2.3檢測靶標及檢測點布設與測量
由于測區(qū)內(nèi)沒有明顯特征地物點用于精度檢測，航測開始前在測區(qū)范圍內(nèi)噴繪多處30cm*30cm十字檢測靶標，以其中心作為檢測點。點位布設情況：設立在石質(zhì)地表檢測點6個，土質(zhì)地表檢測點11個，草皮檢測點3個，另有簡易房房角檢測點1個，共計21個點位，除房角1點位和草皮3點位僅作為平面精度檢測外，其余17點位可作平面、高程精度檢測。
使用礦區(qū)內(nèi)D級GPS控制網(wǎng)的控制點作為控制基礎，利用RTK技術，在固定解狀態(tài)下進行測量，為了保證檢測點自身精度，每個檢測點進行三次測量，取差值小的坐標值的平均值作為最終成果。
3.礦區(qū)地形測量精度分析
在當前無人機航攝技術水平上，主流的航攝系統(tǒng)平面精度比較容易滿足限差要求，本文不再比較，僅對高程精度進行重點檢驗。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，平坦地區(qū)的高程注記點對于鄰近圖根控制點的高程中誤差不得超過7cm。一般高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差不得超過15cm。其余地區(qū)按等高線內(nèi)插點相對于鄰近圖根點的高程中誤差來衡量，按地形類別劃分不得超過表1的規(guī)定。
表1 不同地形類別高程中誤差標準/圖 來源網(wǎng)絡
DEM平面檢測點點位精度最小值0.021m，最大值0.362m，平均值0.135m，檢測點高程中誤差0.162m，允許中誤差0.25m。經(jīng)分析，無人機航攝精度可以滿足礦區(qū)1:500復雜地形圖測量精度要求。
Global Mapper軟件提取DEM地貌數(shù)據(jù)/圖 來源網(wǎng)絡
4. 結束語
本次無人機航攝案例展示出復雜地形條件測繪大比例尺地形圖的優(yōu)勢，充分說明小型無人機已經(jīng)成為一種成熟的新型低空航攝體系，可作為中高空航攝的有效補充，在工程測量領域完成高精度地形圖測制工作。天狼星小型無人機航攝系統(tǒng)配備的高集成化得軟件處理程序?qū)崿F(xiàn)了地形圖作業(yè)流程化，模塊化，大大節(jié)省了外業(yè)數(shù)據(jù)坐標采集工作量，縮短了工期;同時，“簡約式”的工作流程，為測制單位節(jié)省了員工培訓成本，簡單培訓就可以完成專業(yè)人員關于地形圖外業(yè)數(shù)據(jù)采集的工作。已經(jīng)成為全野外數(shù)字化傳統(tǒng)測量手段的又一次革新，特別是在人工無法到達或者難于測繪的復雜地形區(qū)域，高密度的點云數(shù)據(jù)和高精度數(shù)字高程模型為土石方測算等提供了更加精細準確的計量手段。高精度智能無人機的應用不僅突破了傳統(tǒng)航測理論束縛，顛覆了傳統(tǒng)測量概念，而且超凡脫俗的作業(yè)模式、所見即所得的作業(yè)效果更是引起測繪行業(yè)的重大變革，實現(xiàn)了有限測量數(shù)據(jù)到海量數(shù)據(jù)的獲取，可以在眾多高精度測繪領域拓展應用。為地形復雜，工作人員無法進入實地測量的地形測量工程項目提供了很好的借鑒。
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