免像控大疆精灵4 RTK无人机在数字校园测图中的应用

蔺建强，甘淑，袁希平，王睿博

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心，云南 昆明 650093； 3.滇西应用技术大学，云南 大理 671009)

1 引 言

地形图的发展历史悠久，是一个国家的重要基础地理信息成果。小到出行，大到城市规划、资源调查都离不开地形图。在表现形式上，地形图从纸质发展到电子地图。在测量方式上经历了由传统测量生产体系向数字化测量生产体系的转变[1]。全站仪，即全站型电子速测仪(Electronic Total Station)、GPS-RTK、地面三维激光扫描技术(TLS)等新技术的出现，给地形图的测量带来了革命性的改变，大大提高了作业效率和测量精度。航空摄影测量技术、卫星测图将地形图的测量方式发展为天、空的测量模式。但由于各种原因，如成本高、成图周期长、精度还不能满足大比例尺地形图的要求等，这也为以无人机为平台的低空摄影测量技术的应运而生提供了契机。凭借着机动灵活、成本低廉、高分辨率等优越性，借助于地面控制点便可完成大比例尺地形图测绘。但由于其仍然需要外业布设像控点，耗费大量人力物力，许多学者致力于免像控无人机倾斜摄影测图的研究，取得了可观成效。文献[2]利用天狼星无人机航测系统对 1∶500地形图测图的可行性进行研究，获取了高分辨率的正射影像图(DOM)和数字高程模型(DEM)，精度评定的平面点位中误差为 0.049 m，高程中误差为 0.059 m。文献[3]以校园作为研究区对免像控无人机倾斜摄影测量技术的可行性和精度进行验证，利用Context Capture三维建模软件和清华山维EPS三维测图软件绘制了校园的地形图和建筑单体模型，通过抽样检查得到平面点位中误差为 0.034 m，高程点位中误差为 0.017 m，可用于 1∶500地形图的生产。文献[4]在新能源发电场的地形图测绘中应用了免像控无人机航测技术，检查点平面中误差为 0.068 m，高程中误差为 0.093 m，精度满足其工程测图需求。文献[5]利用天狼星免像控无人机航测系统对棚户区进行了 1∶500的数字线划图(DLG)的生产，通过外业实地检测，平面中误差为 0.281 m，高程中误差为 0.142 m，符合规范和设计要求。文献[6]利用天狼星无人机、AgisoftPhotoScan三维建模软件、清华山维EPS2008三维测图软件生成数字高程模型(DEM)、正射影像图(DOM)、点云等成果数据，并制作了 1∶500地形图。通过对免像控无人机获取影像制作的地形图和有像控无人机获取影像制作的地形图进行对比分析，其平面中误差和高程中误差的差值分别为 0.023 m和 0.026 m，证实了免像控无人机倾斜摄影测量技术应用于地形图测图的可行性。文献[7]基于无人机倾斜摄影测量技术进行数字校园三维建模，并与传统的三维建模方法进行了对比分析，得出无人机倾斜摄影测量技术可以快速获取和重建三维模型。文献[8]采用多旋翼无人机搭载5镜头对校园进行实景三维模型构建，运用Context Capture三维建模软件和DP-Modeler模型精细化软件，成功构建了校园三维实景模型。文献[9]采用六旋翼无人机和5镜头倾斜相机实证了利用无人机倾斜摄影测量技术构建校园三维模型是满足三维数字校园建设的需要。文献[10]对无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测图的可行性进行了实践论证。此外，无人机倾斜摄影测量技术还应用到矿山监测中[11]、古建筑保护[12]、滑坡监测[13]。文献[14]详细全面介绍了无人机在农业、林业、考古和建筑学、环境、交通等领域无人机技术的应用。综上所述，依靠少量地面像控点，无人机倾斜摄影测量技术可以基本满足相关行业和领域的应用要求，但是在林业、冰川、沼泽地、泥石流滑坡、高山悬崖地形等布设像控点困难的应用领域，免像控无人机倾斜摄影测量技术的应用研究显得尤为重要和具有研究意义。因此，本文利用大疆精灵4 RTK无人机免像控采集了昆明理工大学莲华校园的无人机影像，借助Context Capture三维建模软件和SV365三维测图软件裸眼生产数字校园地形图，并采用全站仪对其测量精度进行了检查。结果证明大疆精灵4 RTK无人机能达到免像控校园数字化快速测图的要求。

2 大疆精灵4 RTK无人机及数据采集

2.1 大疆精灵4 RTK无人机

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行[15]。无人机航测系统主要包括飞行平台、载荷传感器系统、飞行控制系统、地面监控系统、数据传输系统[16]。大疆精灵4 RTK无人机平台参数和相机构参数如表1、表2所示：

大疆精灵4RTK无人机平台参数 表1

大疆精灵4RTK无人机相机参数 表2

2.2 数据采集

数据采集部分主要包括实地踏勘、航线规划与参数设置、飞行数据检查等。实地踏勘是对飞行区域进行熟悉，从而了解其环境的复杂程度，以便准确确定后期的飞行参数设置。如航高、航向重叠度和旁向重叠度等。航线规划与参数设置根据大疆精灵4 RTK无人机自带航线规划软件进行规划与参数设置。有关飞行参数如下：航高 80 m；航向重叠度80%、旁向重叠度80%；天气为阴天；单镜头倾斜60°飞行5个架次，用时约 25 min，共获取433张相片。飞行数据检查是检查获取影像的质量、数据是否完整等。

3 ContextCapture+SV365一体化内业数据处理

3.1 ContextCapture三维建模

由于采用免像控无人机倾斜摄影测量技术，在利用ContextCapture进行三维建模时省去了刺点，直接导入影像，设置传感器尺寸和焦距大小，检查影像文件的完整性。然后提交空中三角测量，完成后点击新建重建项目，如果影像很大的话，要在空间框架中进行切块设置后提交新的生产项目，最终生成三维模型，由于生成的三维模型要导入到SV365三维测图软件中，所以提交新的项目时要将最终的三维模型格式设置为osgb格式。此外，在完成空中三角测量的基础上可按照需要快速生成三维点云、正射影像(DOM)和数字表面模型(DSM)等测绘产品。ContextCapture三维建模流程图如图1所示：

图1 ContextCapture三维建模流程图

三维模型如图2所示：

图2 三维模型

3.2 SV365三维数据采集

打开SV365三维测图软件，选择SV365工作空间的三维测图模块，将格式为osgb的三维模型导入SV365三维测图软件，然后对三维测图参数设置。有两种设置方式，一种是直接对三维建模的格式为XML的文档metadata的参数进行设置，如图3所示。另一种是在三维测图模块下的三维设置进行，如图4所示。图5是利用SV365绘图面板下的居民地绘制的图书馆。

图3 metadata参数设置

图4 三维测图参数设置

图5 SV365绘制的图书馆

4 精度评定

实践经验可知，全站仪的测量精度是高于RTK测量精度的，因此，文章采用国产的苏州一光全站仪进行了检查点测量，仪器设备和精度如下。全站仪一台：型号，RTS332SR5B；精度：±(2+2×10-6×D)mm；脚架一副，三脚对准杆一副，棱镜一个。由于采集数据范围小，校园地形平坦，所以仅测量10个检测点。检查点分布如图6所示：

图6 检查点分布图

从表4的坐标精度统计表中可以看出检核点平面点位较差最大值为 0.059 m，最小值为 0.011 m，平面点位中误差为 0.037 m，根据规范《基础地理信息数字成果 1∶500、 1∶1 000、 1∶2 000数字线划图》[17]，在平地、丘陵地区，1∶500比例尺的数字正射影像图明显地物点的平面位置中误差不应大于 0.3 m，平面精度符合规范要求。检核点高程点位较差最大值为 0.047 m，最小值为 0.008 m，高程点位中误差为 0.035 m，根据规范《基础地理信息数字成果 1∶500、1∶1 000、1∶2 000数字线划图》，在平地、丘陵地区， 1∶500比例尺的数字正射影像图明显地物点的平面位置中误差不应大于 0.2 m，高程精度符合规范要求。

坐标检核统计表 表3

坐标检核统计表 表4

5 结 论

本文采用大疆精灵4 RTK无人机倾斜摄影测量技术，获取校园影像数据，利用ContextCapture三维建模软件进行了数字校园三维建模，得到了较好的三维模型。使用SV365三维测图软件进行数据采集，绘制了图书馆的数字线划图(DLG)，并用苏州一光全站仪测量检核点与SV365采集的影像同名点坐标进行精度比对，得出了平面点位中误差为 0.037 m，高程点位中误差为 0.035 m，精度均符合规范要求。不足之处是用ContextCapture三维建模软件建立的三维模型不能单体化。另外影像采集范围较小，地形平坦，后期主要将自然地形复杂的地形地貌作为实验区，比如泥石流沟谷迹地、高山峡谷地带等进行无人机倾斜摄影测量技术的研究与应用。随着人工智能时代的到来，相信无人机倾斜摄影测量技术会更高精度和更智能化。更好地服务测绘基础行业，如公路测量、水库大坝监测、矿山测量、低空遥感数据获取等领域。