消费级无人机在1∶500地形图测绘中的应用

丁 涛,付 贵， 刘 超,刘春阳,郑远杨

(1.安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院,安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学 矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室,安徽 淮南 232001; 3.贵州建设职业技术学院,贵州 贵阳 551400)

近十多年来,随着基础建设速度与相应工程需求的不断提高,传统的测图手段包括电子水准仪测量、RTK测量、全站仪测量和传统航空摄影测量在工作周期、生产效率以及经济成本上的问题已经逐渐凸显。无人机倾斜摄影测量技术应运而生。与传统单点数据以及单一正射影像的获取不同,无人机倾斜摄影测量技术凭借其机动灵活和高自动化作业的特点,在测量时受地形约束较少,作业速度快,大大提高了作业效率[1]。

目前的航测无人机种类繁多,包括固定翼以及多旋翼,搭载的航摄镜头多为主流的五镜头相机,5个方位视角分别为前、后、左、右以及垂直视角，可同时完整地获取地面各个方位相关信息并以图像形式存储,所拍摄的地面信息直观、精准、有效。利用后期内业数据处理,进行实时三维建模,可获得高精度的三维模型以及高质量的数字正射影像图、数字高程模型、数字线划图。然而,由于搭载五镜头的无人机体积较大,镜头售价高昂,操作较为复杂,专业性较高,很难全面广泛地应用于实际各大小生产项目之中,而消费级小型多旋翼单镜头无人机的研发为无人机倾斜摄影测量提供了另一种经济、高效、轻便的选择,更适合小范围、短时间、需求紧急的快速作业[2]。

本文从实际应用出发,采用大疆精灵4RTK消费级单镜头四旋翼无人机,对所选测区进行外业影像数据采集,利用Context Capture(简称CC)软件进行实时建立三维模型,生成正射影像,通过EPS三维测图软件进行1∶500数字线划图采集工作,并结合GPS-RTK与全站仪测量,检核并分析实际航测精度。实际结果显示,所采集的数据以及处理结果均符合相关技术规范要求,可为小范围的大比例尺地形图快速测量获取结果工作服务。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

本文实验测区位于安徽省望江县凉泉乡,地处安徽省西南边缘,位于东经116°34′59″～116°37′48″、北纬30°11′01″～32°13′50″之间,面积约为58 000 m2。测区以平地为主,地面起伏较小。范围内建筑物和植被较多,主体最高建筑均未超过50 m。符合消费级无人机作业范围及强度。

1.2 倾斜摄影测量流程

早在20世纪前期,倾斜摄影测量技术就开始应用于军事勘察领域。随着近现代卫星定位技术以及无人机技术的发展,倾斜摄影技术开始在各个领域逐渐兴起,并在测绘、国防军事、信息传播、智慧城市等方面发挥其巨大的优势[3]。

传统的摄影测量主要依靠航天飞行器搭载专业测量相机组进行地面垂直影像的获取,无法量测地物地貌的三维信息,且专业性过高,飞行环境要求严格。搭载于无人机平台的非量测专业型航测相机的研发让这一问题得到了很好的解决,大大降低了生产成本,使飞行器受航测环境的限制也明显减少。利用倾斜摄影进行真实三维模型的构建,不仅能够最大程度地反应真实的地物地貌纹理特征,还能精确地匹配坐标位置信息。这使得倾斜摄影测量技术在多领域得到广泛的使用。倾斜摄影测量流程如图1所示，具体步骤如下:

图1 倾斜摄影测量流程

(1) 搜集测区资料,实地勘察测区环境,选择合适天气进行作业。

(2) 合理规划无人机飞行航线、作业时间段、所需备用电池数量、飞行高度、拍摄相片重叠度。

(3) 布设测区像控点,测量三维坐标。

(4) 利用无人机匹配飞控端操纵无人机,使其按照事先规划飞行线路进行倾斜多角度影像获取。

(5) 内业数据预处理,进行空三加密,若有需要及时补测,实景三维建模,制作正射影像图和数字线划图。

1.3 无人机系统

本文所采用的无人机为大疆公司于2018年发布的大疆精灵4RTK,相比较于前几代无人机产品,精灵4RTK集成全新RTK模块,拥有强大的抗磁场干扰能力,在系统与精度方面提升至全新标准,可测得厘米级精确数据,同时大幅度减少了传统航测中所需的地面控制点,简化作业流程,降低了成本[4]。主要参数见表1所列。

表1 大疆精灵4RTK无人机相关参数

2 航测数据采集

2.1 像控点布设

航测像控点的布设采用在所选测区四周范围的边角处以及区域内部布设平高控制点的方法进行[5]。采用红白2种对比明显颜色所制作的可重复使用标志，便于内业目视进行像控点刺点。像控点的测量采用中海达GNSS-RTK,同一点实测3次,取均值作为最终值。理论上所布设像控点的精度越高，数量越多,在进行空中三角测量时所计算出的数据精度越高。考虑到实际航飞测区情况,共布设21个像控点,后期结合实测点也作为质检点。坐标系统采用CGCS2000坐标系,像控点分布如图2所示,选择所布设周围范围内应无高层建筑以及树木遮挡,防止倾斜摄影时无法通视拍摄到所有像控点的影像。

图2 测区像控点分布

2.2 飞行航线设计以及数据采集

本文采用的无人机控制手簿为自带一体式显示器,无需外接手机或平板可直接进行操作控制。测量前根据二维地图预先进行作业区域范围的划定并以kml文件形式导入手簿。实验设置航飞相对高度为80 m,地面分辨率公式为:

H=fGSD/a

(1)

其中:H为飞行航高;f为镜头焦距;GSD为地面分辨率;a为像元尺寸。根据(1)式可以计算出实际地面分辨率为2.7 cm[6]。符合《基础地理信息数字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000数字正射影像图》(CHT 9008.3-2010)技术要求。飞行航向重叠度80%,旁向重叠度80%。由于测区多为建筑物,飞行时间应避免晨起正午以及傍晚太阳高度角小于30°的时段,提升影像采集质量。单块电池续航时长有限,因此本次实验配备10块电池,以连续完成作业。

实际航摄作业天气情况良好,光照充足,北风3级。进行像控点布设以及测量作业,同时检查无人机以及航摄镜头工作状态,确认无误后进行航摄作业。作业过程中通过实时影像传输至地面手簿,监控飞行状态以及飞行任务完成状况。大疆精灵4RTK所搭载的单镜头可通过变换拍摄角度达到五镜头相同效果的倾斜数据采集,实际拍摄影像如图3所示。

图3 实测影像图

3 影像处理

3.1 数据预处理

无人机现场实际拍摄航摄照片数据后,及时对所获取的影像进行快速拼接处理,若发现照片质量不佳、所拍摄测区范围不足或出现大面积缺失或空洞的情况,应及时进行外业补测或调整作业计划进行二次航测。针对因色彩饱和度或亮度不足且占比数量较少的照片,可利用Adobe Photoshop 2020进行批量照片匀色处理从而提高照片质量。

3.2 空中三角测量

空中三角测量是通过外业实测的少量平高点(控制点)来计算出数量众多定向点(地面控制点)的方法,从而在外业测量上很大程度地减少了测量员测量时间,降低了工作强度,实际航测效率也得到了显著的提高。

在进行平差时,待测点和平高点的像点坐标为观测值,所要求的为待测点的坐标以及相片的3个外方位元素[7]。

这里所用的CC自动建模软件采用光束法局域网空中三角测量方法。其平差基本组成结构为:像片摄影中心、对应像点以及物点。利用下列共线方程进行平差,结合少量外业实测控制点使局域网中的多点获得实际真实三维坐标:

(2)

(3)

其中:(x,y)、(x0,y0)分别为像点和像主点坐标；Δx、Δy为像点坐标(x,y)对应的系统误差改正数；f为无人机相机主距；ai、bi、ci(i=1,2,3)为3个姿态角所对应方向的余弦X、Y、Z为物方点坐标;Xs、Ys、Zs为呈像投影中心坐标[2]。利用CC软件进行空中三角测量，结果如图4所示。

图4 空中三角测量结果

3.3 不规则三角网构建及模型生成

CC软件对所有航摄影像进行自动密集匹配,提取丰富数量的特征点，构建密集点云并对点云数据进行处理、去噪、匹配等,以达到所获取的三维点云在精度上的要求。在经过空中三角测量和密集点云匹配后,可由高精度三维点云构建不规则三角网(triangulated irregular network,TIN),结合单体TIN,组合出完整模型。航摄像片的重叠度与TIN的密集程度呈正相关,对于地形建筑物结构复杂的地区而言,由于其纹理及结构特征丰富,只有特征高密度的TIN才能反映出真实精准的地物地貌特征信息[8]。

模型生成前需要对所构建的白模型进行纹理映射,在三维物体与二维空间点之间建立对应匹配关系,将纹理、色彩以及对比信息映射到白模型上,得到最接近真实物体的三维模型[9],如图5所示。

4 数字产品及精度分析

4.1 相关数字产品

无人机数字产品主要包括高质量的三维立体模型,高分辨率的数字正射影像图以及数字线划图。在CC软件生成三维模型后可直接生成较好的影像图切片,软件自动化程度高。整个产品过程只需软件人工通用设置一次坐标系及相关参数信息,即可自动生成TIF格式单片。将所有单片统一整体导入至Global Mapper软件进行拼接,最终得数字正射影像图如图6所示,实际分辨率2.7 cm,为高分辨率真正射影像图。

图6 数字正射影像图

本文采用北京山维科技股份有限公司研发的EPS三维测图系统进行数字线划图的采集,通过将CC生成的3D模型以osgb格式导入至EPS测图系统中,无需佩戴其他辅助测图工具,可以直接裸眼结合数字正射影像图实时对比,进行三维测图工作,并按照操作规范进行完整图层属性设置,最终生成数字线划图,如图7所示。

图7 数字线划图

4.2 精度分析

测区内平面点采用现场人工测量的方式进行数据采集,利用徕卡TS50全站仪设站在与所选择的地物点相互通视的图根点处,对分布均匀的建筑物、明显地物、地标、道路等进行数据采集。测区高程点则结合飞前所测像控点数据以及飞后实测典型地形高程数据。共采集高程点180个,平面点300个,通过与模型及数字线划图进行精度对比分析,见表2所列，如图8所示。

表2 点位误差统计

图8 点位误差统计直方图

根据《1∶500 1∶1000 1∶2000 外业数字测图规范》(GB 14912-2005)技术要求规定,对于1∶500比例尺数字线划图,在地形起伏较小的平原以及丘陵地区,平面精度应小于0.15 m,高程精度小于0.17 m[10]，由表2可知，本次航飞数据均满足1∶500大比例尺测图要求。

5 结 论

本文讨论了单镜头消费级无人机倾斜摄影测量技术的方法,并以凉泉乡1∶500大比例尺数字测图为例,分析了技术的可行性,同时得到高分辨率数字正射影像图、三维模型、数字线划图。

在测量技术以及精密飞行器不断发展的今天,以轻便、经济、高精度为优势的无人机正逐步普及化,将会逐步取代大部分过于耗时耗力的传统测绘手段,是目前数字城市以及智慧校园建设的主力军。而单镜头消费级小型无人机更能将小范围大比例尺数字测图的优势发挥到最优,成为传统测量的有效补充,同时也可应用于突发灾害快速处理评估、安保、疫情监察等众多领域,具有广泛的应用前景。