无人机免像控航测技术在地形测量中的应用研究

无人机免像控航测技术在地形测量中的应用研究
发表时间：2019-08-02T10:57:47.593Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：殷晓宝
[导读] 摘要：传统的航空摄影测量技术因成本高、现势性不强、受天气条件影响大等原因, 一般用于大范围中小比例尺测量任务。

河北资环勘测工程有限公司宽城分公司河北承德 067600
摘要：传统的航空摄影测量技术因成本高、现势性不强、受天气条件影响大等原因, 一般用于大范围中小比例尺测量任务。

而基于无人机平台的航空测量技术具有成本低、机动灵活、时效性强的特点, 可以快速高效地获取高分辨率影像、数字高程模型DEM和数字正射影像图DOM等数字产品, 在大比例尺测图、灾害应急处理、地理国情监测等领域拥有独特优势, 正逐步成为空间地理信息获取的重要手段。

关键词：无人机；免像控航测技术；地形测量；应用
随着低空遥感技术的发展, 使得无人机测绘技术成为航测领域的一个崭新发展方向。

无人机具有机动灵活、生产周期短等特点, 在小区域和飞行困难地区获取数据方面具有明显优势。

无控无人机通过整合精密测时技术和RTK定位技术来确定每一张相片拍摄的准确位置获取高精度成果, 发挥了其快速高效的优势, 减少了外业工作量。

该无人机由于POS数据精度较高, 省去了外业像控作业, 只需输入一个基站点坐标, 经对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理等处理, 可生成DEM、DOM、DLG、DRG等4D数字产品。

1测区概况
该测区位于山西隰县县域, 航飞面积1.8Km2, 地形条件主要以丘陵、山地和平地为主, 设计地面分辨率3cm, 飞行高度388m, 航向重叠85%, 旁向重叠70%。

2采用设备
该测区采用天狼星无控无人机, 该无人机主要由硬件设备系统、影像处理系统、信息分析系统构成:(1) 硬件设备系统:无人机飞行平台、飞行控制系统、地面监控系统、发射与回收系统;遥感任务设备、稳定装置、影像位置和姿态采集系统。

(2) 影像处理系统:影像数据快速检查、纠正、拼接系统;DOM、DEM、DLG生产系统。

(3) 信息分析系统:信息提取、信息分析、报告自动生成、数据管理与检索系统。

3无控无人机航测技术方法
3.1 测区踏勘
利用谷歌地图在测区范围内目测飞行场地, 实地进行踏勘, 确认测区地点、范围、起飞和降落条件。

测区内无禁飞区、机场、军事管理区。

飞机起飞地点地面平坦, 空域视线良好, 场地内无高压塔、成片树林、电杆、石块堆积、房屋等障碍物。

3.2 航线规划
首先确定坐标系统、摄区范围, 根据这些情况, 设置航摄参数, 如航摄分辨率、重叠度、航摄高度等等。

根据测区地形条件及测区形状布设航线, 航线方向为南北向。

航线布设完整覆盖整个测区, 飞行范围超出最外边界线4条基线, 2条航线。

3.3 基站点检查点布设及测量
(1) 基站点选择比较平坦, 面积较大的区域, 视野较开阔, 附近便于飞机的起飞和降落;点位附近无高大建筑物、树木、大面积水域、高压电线、微波通信塔等干扰源, 信号接收无异常干扰。

(2) 观测使用中海达RTK, 其标称精度为:平面± (5mm+1×10-6D) , 高程± (10mm+1×10-6D)。

(3) 采用三角架严密对中, 观测三次, 成果取平均值作为基站坐标值, 每次测量前都重新初始化, 待信号稳定后再继续下一次数据采集。

(4)检查点均匀分配于测区, 分别位于测区的四周和中心, 能够反映地形起伏条件, 具有代表性。

(5) 为了内业判读点位更准确, 在航飞前布设了检查点, 采用白灰布设为矩形“十”字, 长度为1m, 宽度为0.1m, 以“十”字交叉点为检查点位。

3.4 任务飞行
首先进行航线检查, 确保任务覆盖满足要求, 然后根据飞行任务进行安全和应急设置。

检查飞机姿态和拍照是否正常, 检查完毕后, 即可发送航线。

飞机应逆风起飞, 起飞后观察GPS定位精度、飞机姿态、电源电量、飞行轨迹情况。

飞机降落后, 将POS数据和照片下载保存到安全位置;检查相片数据和POS数据是否一致, 相片质量是否清晰完整。

最后关闭自驾仪, 关闭飞机电源, 进行回收作业。

3.5 数据处理
(1) 检查像片和POS文件的完整性和一致性, 检查基站点坐标和天线高。

(2) 在MA Vinci软件中, 把每个架次的基站点坐标和天线垂高对应输入, 坐标系统设置正确, 然后导入到AgisoftPhotoScan软件。

(3) 使用photoscan软件对航摄数据进行处理, 数据质量选择高、中级别, GPS-RTK精度设置为2cm。

再利用基站点进行绝对坐标转换, 经对齐照片、自动像点匹配、不合格点剔除、照片深度匹配、建立密集点云、生成网格、生成纹理等程序, 生成高密度点云、正射影像 (DOM)、地形模型 (DTM) 和高程模型 (DEM) 。

(4) 利用高密度点云生成等高线和高程点, 叠加正射影像、DEM采集地物, 进行等高线编辑、地物绘制, 地形图生产。

4精度验证
本测区利用实测检查点验证了地形图的精度, 同时列出了1∶500地形图数字测图法和航空摄影测量法所要求达到的精度要求。

1∶500地形图数字测图和航测精度要求:
该测区共选取了平地、丘陵、山地和地物检查点共13个, 点位中误差计算方法见公式 (1) :。

公式 (1) 中:△L=sqrt (△x2+△y2)
△x=x-x′
△y=y-y′
经计算, 测区检查点点位中误差为0.13m, 高程中误差为0.11m。

该测区共布设了13个检查点, 地面标靶点7个, 房角点3个, 围墙点3个, 从以上数据可以看出, 地面标靶点精度较高, 房角和围墙点较低。

影像精度的主要因素是地物点存在投影差, 另一方面, 在某一区域像片的质量、飞机的姿态会影响像点匹配精度, 从而影响成果精度。

根据以上数据我们可以得出以下结论:(1) 采用固定翼轻型免像控无人机作为载体, 应用航空摄影测量法进行地形图测绘时, 精度可以满足1∶500数字测图精度要求。

但前提条件是获取到高质量的原始数据, 同时像控、空三加密、测图等环节生产的数据要满足技术要求。

(2) 影响
无人机数据质量的因素很多, 要想获取到高质量的数据, 应在天气条件较好 (无风、雾、霾, 大气透明度高) 的情况下执行飞行作业, 保证飞机的横滚和俯仰角不超限。

原始数据质量较差时, 应进行补充航摄。

(3) 无控无人机采用内置RTK技术快速获取精确的POS点坐标, 省去了繁琐、复杂的外业像控测量, 可以大幅提高生产效率, 节省了人力、物力、财力。

(4) 无控无人机由于生成的正射影像精度高, 可直接在影像上进行地物编绘, 可以利用点云数据生成高程点和等高线, 从而生成地形图。

但在植被茂密的地区应进行人工补测, 提高地形图精度。

如能在地形处理方面加以改进, 将极大地提高生产效率。

结论
本文通过工程实例表明, 在平原地区由天狼星无人机航测系统得到的DEM、DOM能够达到1∶500数字测图的要求, 验证了其在免像控大比例尺地形图测绘中的可行性。

与传统无人机测图相比, 不仅提高了测图精度, 更提高了工作效率。

但是, 本文所选测区面积较小, 且地势较为平坦, 在接下来的工作中, 会继续选择更大范围、地形起伏大的区域进行航测实验, 以提高天狼星无人机航测系统的普适性。

随着无人机技术的发展, 国家低空空域有序开放, 集成了高精度POS系统的免像控无人机航测技术必将成为空间地理信息获取的重要手段, 更广泛地应用于大比例尺地形图测绘、灾害应急处理、智慧城市建设等领域。

参考文献：
[1]李德仁, 李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报 (信息科学版) , 2014, 39 (5) :505-513
[2]杨尧兰.天狼星无人机摄影测量系统在大比例尺成图中的应用研究[D].昆明:昆明理工大学, 2016
[3]乔瑞亭, 孙和利, 李欣.摄影与空中摄影学[M].武汉:武汉大学出版社, 2018
[4]程崇木, 张俊华, 孙炜, 等.固定翼无人机航空摄影测量精度探讨[J].人民长江, 2017, 41 (11) :54-56。