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天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在復(fù)雜地形測(cè)量中的應(yīng)用與精度分析

發(fā)布日期:2018-01-19??來(lái)源:泰伯網(wǎng)我要投稿我要評(píng)論

摘要

地形測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜而且系統(tǒng)化的測(cè)量作業(yè)任務(wù),航空攝影測(cè)量已經(jīng)占據(jù)地形測(cè)量的主戰(zhàn)場(chǎng),然而傳統(tǒng)的航攝系統(tǒng)不僅成本高對(duì)天氣、空管調(diào)度等作業(yè)條件要求苛刻,而且對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求也非常高,作業(yè)周期無(wú)法保證,制約著航空攝影測(cè)量的快速發(fā)展與普及。無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)作為傳統(tǒng)航攝系統(tǒng)的有益補(bǔ)充,以其機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、節(jié)約人力成本等優(yōu)勢(shì)在航攝領(lǐng)域迅速得到廣泛應(yīng)用。本文以天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)在內(nèi)蒙古某露天礦地形測(cè)量項(xiàng)目為例,在無(wú)需地面控制點(diǎn)的情況下完成DOM、DEM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)任務(wù),通過(guò)精度分析實(shí)現(xiàn)了大比例尺地形圖測(cè)制的精度要求,為地形復(fù)雜,工作人員無(wú)法進(jìn)入實(shí)地測(cè)量的地形測(cè)量工程項(xiàng)目提供了很好的借鑒。

引言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,地形測(cè)繪手段已由純?nèi)斯げ杉c(diǎn)位數(shù)據(jù)發(fā)展為航空攝影來(lái)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(duì)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(wú)人機(jī)平臺(tái)的航攝系統(tǒng)顯示出靈活機(jī)動(dòng)、高效快捷、響應(yīng)能力強(qiáng)、作業(yè)成本低的特有優(yōu)勢(shì),特別適用于小區(qū)域和應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取。因此,從地形測(cè)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(cè)量工程的應(yīng)用出發(fā),在無(wú)需地面像控點(diǎn)的情況下完成DOM、DEM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生產(chǎn)任務(wù),并進(jìn)行精度分析,其實(shí)際測(cè)量精度滿足大比例尺礦區(qū)等復(fù)雜地形圖精度要求。

1天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1內(nèi)置高頻RTK接收模塊,實(shí)現(xiàn)免像控航攝

在傳統(tǒng)航攝作業(yè)模式下,布設(shè)地面圖像控制點(diǎn)是一項(xiàng)必不可少的工序,不僅占用著項(xiàng)目的人力物力,同時(shí)占用著項(xiàng)目至少30%的工期,如果在無(wú)人區(qū),沒(méi)有明顯特征點(diǎn)的方位物或者地形復(fù)雜的地區(qū),像控就成了制約航攝的瓶頸,在當(dāng)前地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中經(jīng)常遇到工作人員進(jìn)入困難甚至無(wú)法人工進(jìn)入作業(yè)的情況,這將大大增加項(xiàng)目開(kāi)支并延長(zhǎng)項(xiàng)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(fèi)大量的時(shí)間、人力物力進(jìn)行采集數(shù)據(jù),這樣往往是要損失測(cè)繪精度的代價(jià)才能完成。

天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)采用地面基站模式,機(jī)身上搭載著100HZ刷新率的 GPS RTK裝備,在航飛的同時(shí)即可實(shí)時(shí)獲取高精度無(wú)人機(jī)定位信息,該定位信息不僅用于無(wú)人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航與飛行姿態(tài)調(diào)整,而且能保證在航拍的同時(shí)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(shí)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(cè)量的要求。

實(shí)驗(yàn)區(qū)航拍曝光點(diǎn)位分布圖/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

1.2MAVinci Desktop制定飛行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)智能化航飛計(jì)劃管理

MAVinci Desktop可以提前根據(jù)測(cè)區(qū)范圍制定飛行計(jì)劃,同時(shí)根據(jù)測(cè)區(qū)需要由作業(yè)者臨時(shí)指定目標(biāo)區(qū)域和指定期望的GSD進(jìn)行創(chuàng)建飛行計(jì)劃。作業(yè)者可以根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)點(diǎn)選范圍快速制作飛行計(jì)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(wú)人機(jī)可以根據(jù)地形起伏自適應(yīng)改變飛行高度,既能保證無(wú)人機(jī)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(shè)計(jì)飛行計(jì)劃,只要輸入想要的作業(yè)精度值(GSD),導(dǎo)入作業(yè)范圍文件便可以實(shí)現(xiàn)航線自動(dòng)劃分,飛行高度自適應(yīng),自動(dòng)設(shè)定飛行帶寬及重疊率等技術(shù)參數(shù),大大提高了工作效率。

點(diǎn)選范圍點(diǎn)快速實(shí)現(xiàn)模擬飛行計(jì)劃/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

1.3AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測(cè)量與建模軟件實(shí)現(xiàn)航拍成果快速輸出

天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)采用的AgiSoft PhotoScan Pro+攝影測(cè)量與建模軟件進(jìn)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(xì)的DEM/紋理多邊形模型,同時(shí)無(wú)需設(shè)置初始值,無(wú)需相機(jī)校準(zhǔn),完全自動(dòng)化的操作流程可以讓一個(gè)非專(zhuān)業(yè)人員在桌面電腦上處理數(shù)以千計(jì)的航空像片并生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)級(jí)的航攝測(cè)量數(shù)據(jù)。AgiSoft PhotoScan Pro數(shù)據(jù)支持幾乎所有的市場(chǎng)上面向無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的解決方案與軟件程序。

內(nèi)蒙礦區(qū)試驗(yàn)區(qū)實(shí)現(xiàn)4架次共計(jì)3小時(shí)飛行,有效作業(yè)面積4.6km2,1460張圖片,12小時(shí)全自動(dòng)空三加密、一鍵生成DOM、DEM、點(diǎn)云數(shù)據(jù),2小時(shí)自動(dòng)提取點(diǎn)云高程點(diǎn)并生成等高線。整個(gè)項(xiàng)目一個(gè)作業(yè)小組3人在3天時(shí)間內(nèi)輕松完成。

2.工程實(shí)施

2.1工程概況及航飛參數(shù)設(shè)定

項(xiàng)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(jì)算與開(kāi)挖設(shè)計(jì);工程概況:測(cè)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市境內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng)106°09′-106°10′,北緯40°37′-40°39′內(nèi);測(cè)區(qū)面積4.6km2;平均海拔1650m,最低海拔1580m,最高處1720m。該測(cè)區(qū)地形起伏較大,崎嶇不平,地表裸露無(wú)高大植被覆蓋,屬于典型的戈壁地貌,采用常規(guī)無(wú)人機(jī)航測(cè)方式缺少明顯特征地物用于像控點(diǎn)布設(shè)或采集,同時(shí)高程精度也難于保證,因此選擇天狼星免像控?zé)o人機(jī)航攝作業(yè)方案。

實(shí)地工作環(huán)境為最高溫度4℃,氣溫較低,為保證無(wú)人機(jī)自身安全,續(xù)航時(shí)間設(shè)定為35分鐘,在MAVinci Desktop飛行計(jì)劃軟件中自動(dòng)劃分4個(gè)飛行時(shí)段,選擇兩處起降場(chǎng)地。其他參數(shù)設(shè)定為GSD地面采樣間隔8cm,自適應(yīng)地形起伏模式,相對(duì)飛行高度340m;航向重疊度80%,旁向重疊度65%。

2.2無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)測(cè)制地形圖工作流程

無(wú)人機(jī)航攝復(fù)雜地形(內(nèi)蒙測(cè)區(qū))工作流程圖/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

本工程采用的航線設(shè)計(jì)、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(diǎn)云數(shù)據(jù),然后將DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Global Mapper軟件,利用3D矢量創(chuàng)建高程網(wǎng)格,自動(dòng)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(guò)EPS虛擬測(cè)圖軟件進(jìn)行采集獲取。

2.3檢測(cè)靶標(biāo)及檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

由于測(cè)區(qū)內(nèi)沒(méi)有明顯特征地物點(diǎn)用于精度檢測(cè),航測(cè)開(kāi)始前在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)噴繪多處30cm*30cm十字檢測(cè)靶標(biāo),以其中心作為檢測(cè)點(diǎn)。點(diǎn)位布設(shè)情況:設(shè)立在石質(zhì)地表檢測(cè)點(diǎn)6個(gè),土質(zhì)地表檢測(cè)點(diǎn)11個(gè),草皮檢測(cè)點(diǎn)3個(gè),另有簡(jiǎn)易房房角檢測(cè)點(diǎn)1個(gè),共計(jì)21個(gè)點(diǎn)位,除房角1點(diǎn)位和草皮3點(diǎn)位僅作為平面精度檢測(cè)外,其余17點(diǎn)位可作平面、高程精度檢測(cè)。

使用礦區(qū)內(nèi)D級(jí)GPS控制網(wǎng)的控制點(diǎn)作為控制基礎(chǔ),利用RTK技術(shù),在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量,為了保證檢測(cè)點(diǎn)自身精度,每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三次測(cè)量,取差值小的坐標(biāo)值的平均值作為最終成果。

3.礦區(qū)地形測(cè)量精度分析

在當(dāng)前無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)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(duì)高程精度進(jìn)行重點(diǎn)檢驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,平坦地區(qū)的高程注記點(diǎn)對(duì)于鄰近圖根控制點(diǎn)的高程中誤差不得超過(guò)7cm。一般高程注記點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差不得超過(guò)15cm。其余地區(qū)按等高線內(nèi)插點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差來(lái)衡量,按地形類(lèi)別劃分不得超過(guò)表1的規(guī)定。

表1 不同地形類(lèi)別高程中誤差標(biāo)準(zhǔn)/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

DEM平面檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度最小值0.021m,最大值0.362m,平均值0.135m,檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差0.162m,允許中誤差0.25m。經(jīng)分析,無(wú)人機(jī)航攝精度可以滿足礦區(qū)1:500復(fù)雜地形圖測(cè)量精度要求。

Global Mapper軟件提取DEM地貌數(shù)據(jù)/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

4. 結(jié)束語(yǔ)

本次無(wú)人機(jī)航攝案例展示出復(fù)雜地形條件測(cè)繪大比例尺地形圖的優(yōu)勢(shì),充分說(shuō)明小型無(wú)人機(jī)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(bǔ)充,在工程測(cè)量領(lǐng)域完成高精度地形圖測(cè)制工作。天狼星小型無(wú)人機(jī)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(biāo)采集工作量,縮短了工期;同時(shí),“簡(jiǎn)約式”的工作流程,為測(cè)制單位節(jié)省了員工培訓(xùn)成本,簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可以完成專(zhuān)業(yè)人員關(guān)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(cè)量手段的又一次革新,特別是在人工無(wú)法到達(dá)或者難于測(cè)繪的復(fù)雜地形區(qū)域,高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和高精度數(shù)字高程模型為土石方測(cè)算等提供了更加精細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)量手段。高精度智能無(wú)人機(jī)的應(yīng)用不僅突破了傳統(tǒng)航測(cè)理論束縛,顛覆了傳統(tǒng)測(cè)量概念,而且超凡脫俗的作業(yè)模式、所見(jiàn)即所得的作業(yè)效果更是引起測(cè)繪行業(yè)的重大變革,實(shí)現(xiàn)了有限測(cè)量數(shù)據(jù)到海量數(shù)據(jù)的獲取,可以在眾多高精度測(cè)繪領(lǐng)域拓展應(yīng)用。為地形復(fù)雜,工作人員無(wú)法進(jìn)入實(shí)地測(cè)量的地形測(cè)量工程項(xiàng)目提供了很好的借鑒。

 

 

 

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