免像控無人機航攝系統在公路帶狀地形測量中的應用與精度分析

狄桂栓，沈彪群，高 波，李 濤

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102； 2. 濟南數維空間測繪技術有限公司，山東 濟南 250101)

測繪4.0：拓普康索佳應用方案專欄

免像控無人機航攝系統在公路帶狀地形測量中的應用與精度分析

狄桂栓1，沈彪群2，高 波2，李 濤1

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102； 2. 濟南數維空間測繪技術有限公司，山東 濟南 250101)

近年來，隨著我國經濟的高速發展，道路、河流等大型基建工程的施工與管理已經逐步邁向機械化、智能化的新臺階、新高度。無人機航攝系統也是隨著國家大型基建工程的開展應運而生的全新的測繪新手段。然而無人機航攝系統由于無人機的飛行不穩定性等諸多因素造成了精度不穩定性，特別是點位高程精度多不能滿足實際工程需要，是航攝工作者的普遍認識。一般的無人機航攝伴隨著大量的像控、水準等輔助工作，相較于傳統地形測量，優勢未能突顯出來。本文采用天狼星航攝系統的MAVinci Desktop制定飛行計劃，利用AgiSoft PhotoScan Pro航空測圖系統實現免像控影像自動拼接處理，同時實現在EPS等軟件下直接做裸眼3D數據采集作業，無需傳統立測的3D眼鏡、手輪、腳盤等生產設備。以山東某高速公路帶狀地形圖測繪工程為實例，采集道路中心線，并在沿線公路或其他硬化路面設靶標點，對靜態聯測與水準測量的測量結果對比航攝系統測量結果進行試驗分析。

1 免像控無人機航攝系統技術優勢

1.1 內置實時RTK模塊，實現航攝免像控

在傳統航攝作業模式下，布設地面圖像控制點的工作占用著大量人力物力及工期，與地面控制點相關的靜態測量、水準測量等工作幾乎能占用項目40%的時間。在公路等帶狀地形圖測繪項目中經常遇到工作人員進入困難甚至無法進行人工作業的情況(如山區、災害現場，禁區)，這將大大增加項目開支，很多情況下還要以損失測繪精度為代價才能完成。天狼星無人機航攝系統結合RTK技術，可獲取高密度、高精度的航空制圖像控點，這種精密定位技術使得像片位置信息實現和地面控制點同樣的功能。

該系統搭載著100 Hz邁新率的拓普康GNSS接收機，實現100 Hz RTK數據更新。無人機在飛行過程中采集像片的位置信息，該位置信息都具有RTK固定解算精度，通過整合精密測時和高精度定位技術在空中完成傳統的地面像控測量。平面精度可達5 cm，高程精度達10 cm，滿足了1∶1000～1∶2000測圖要求。

1.2 MAVinci Desktop制定飛行計劃實現自適應地形起伏

MAVinci Desktop不僅可以在辦公室里提前創建飛行計劃，還可以在飛機快速組裝結束后由操作者臨時指定目標區域和期望的GSD進行快速創建飛行計劃，飛行計劃傳輸到飛機后，手拋起飛后飛機自動完成飛行任務。在重丘類地形變化特別大的情況下，無需人工多次分割飛行區域多次起飛作業，飛機的自適應地形變化功能可以根據地形變化自動改變飛行高度等參數，保證飛機在躲避高山等障礙區的同時也保證了影像重疊率，確保影像獲取的質量。

同時，MAVinci Desktop可以采用高集成化一鍵設計飛行計劃，只要輸入想要的作業精度值，導入作業范圍文件便可實現航線自動劃分，飛行高度自動設定與自適應，自動設定飛行帶寬及重疊率等技術參數。利用MAVinci Desktop的影像快速拼接功能生成線路測量及調繪用圖，改變了調繪人員等調繪片的工作實際。上午航飛的數據下午就可以完成實地調繪，大大提高了工作效率，縮短了工程工期。

1.3 AgiSoft PhotoScan Pro實現智能化數據處理

AgiSoft PhotoScan Pro不過分受角度場景的限制，實現每小時800張低空影像的匹配制度。系統自帶平差系統，無需借助第三方軟件，可自動智能化后處理：一步直接導出DOM、DEM、點云，無需空三加密等流程；可在虛擬采集軟件下直接做裸眼3D采集，無需傳統立測的3D眼鏡、手輪、腳盤。

2 工程應用分析

2.1 試驗區工程概況

為了驗證該系統的自適應性能，將試驗區工程選在泰安、臨沂的山區和重丘區域，全長30 km，高差起伏約190 m，其中也包括10 km的市區平坦路面。于2016年7月對試驗區進行了低空航攝數據采集，采集寬度300 m，面積約9 km2，起飛架次10架次。

2.2 航攝計劃創建與參數設定

考慮到測區地形起伏較大，實地工作環境溫度最高35°C，風力最大6級。為保證無人機安全航飛，設定參數如下：地面采樣間隔3 cm，飛行航高約120 m，模式為自適應地形工作模式，航飛帶寬300 m。

2.3 檢測靶標及檢驗點設計與測量

為檢驗航飛精度，在試驗區硬化路面的地方，間隔約500 m處繪制地面檢測靶標標識，靶標尺寸為30 cm×30 cm ，并進行獨立的GPS靜態網觀測和水準測量，聯測當地GPS控制點4座，水準控制點2座，共布設靶標60個。另外以網絡RTK作業方式采集影像明顯位置檢測點近3000余點，包括房角、路燈、明顯的地面坎角、大型高壓線塔特征點，還采集了試驗區的高壓線兩線塔中間的懸高等進行試驗比較分析。

2.4 無人機航攝系統測制大比例尺地形圖工作流程

無人機航攝系統測制大比例尺地形圖工作流程如圖1所示。

圖1 無人機航攝測制大比例尺地形圖工作流程

從航線設計與航飛到影像快速拼接都在MAVinci Desktop程序下完成，AgiSoft PhotoScan Pro程序實現了快速空三直接生產DOM、DEM及點云數據，然后轉到立測成圖工序，此次試驗采用了EPS軟件進行裸視三維立測。

3 試驗數據精度分析

本工程試驗的靶標實測數據采用GPS靜態測量與水準測量的傳統控制點測量作業模式獲取。在當前無人機航攝技術水平上，主流的航攝系統在平面精度上都能滿足實際生產需要。此次的試驗數據平面精度優于5 cm，在此不再作為精度分析重點。一般主流無人機航攝系統高程精度很難保證，此次試驗60座靶標檢驗高程精度較差見表1。

表1 靶標檢驗高程精度較差

其中，高程差值最大為0.137 6 m，平均高程中誤差為0.076 m。另外為了使試驗數據更具有說服力，采用網絡RTK作業模式采集道路兩側邊線高程點2000點，計算高程中誤差為0.102 m(該數據也包含了網絡RTK數據誤差)，其他明顯地面特征點1000點，計算高程中誤差為0.113 m?？紤]到網絡RTK自身測量精度的影響，綜合評價無人機航攝高程精度約為2×GSD，實現了10 cm的高程精度。如果將地面采樣間隔(GSD)設定為2 cm，理論上可實現5 cm的高程精度，但由于飛行高度較低，實際操作中可能存在一定操作風險。但該航測系統已經足以滿足1∶1000、1∶2000大比例尺數字化成圖的精度需要。

4 結束語

本次免像控無人機航攝系統在測制大比例尺地形圖試驗，充分說明小型無人機已經成為一種新型的低空航攝系統，是中高空航攝的有效補充，配上高集成化的軟件處理程序，是傳統GPS等傳統測量手段外的又一次革命，在公路勘察與改擴建工程時可在不需要封路的情況下快速完成測量任務，高密度的點云數據為土石方計量等工作提供了更加精細準確的計量依據。特別是內置RTK模塊后，具有了100 Hz的高頻實時差分、免像控的先進技術，大大提高了工作效率，節約了人力物力等成本，能夠為更多測繪類工程提供有效的地理信息數據。

(本專欄由拓佳豐圣和本刊編輯部共同主辦)

狄桂栓(1985—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為大地測量、GNSS理論及應用、INSAR技術及應用。E-mail:xiaodi-2008@163.com