无人机POS高程精化在城市1∶500免像控测图中的应用

钟青，赵茹玥，刘传逢，魏逸飞，吴嵩，张云霞

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

无人机航测具有机动灵活、快速高效、精细准确、操作简单、生产效率高等特点，在小地块和密集建筑地区的高分辨率影像快速获取方面具有明显优势。可广泛用于工程测绘、土地资源调查监测和应急救灾测绘数据获取等多个领域[1]。无人机获取的影像数据，可快速进行二维、三维重建工作，完成数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)及三维模型制作，基于三维模型裸眼测图技术进行1∶500数字线划图生产。

搭载实时RTK定位的无人机获取的正射影像具有高精度POS数据，采用免像控技术可快速进行三维模型重建，基于三维模型可以完成1∶500数字测图工作。但受限于GPS高程异常影响，三维建模高程精度难以达到规范要求。

为了解决上述问题，本文以DJI P4R无人机为例，选取城市密集建筑区域进行实地试验，规划正射影像获取影像数据，通过似大地水准面模型对POS数据进行高程精化，采用DJI Terra软件进行三维模型重建[2]。结合地面控制点对三维模型进行精度评价，分析验证无人机 1∶500在城市密集建筑区测图的可行性与可靠性。

2 DJI P4R无人机系统简介

DJI P4R为多旋翼无人机，如图1所示。将大疆先进的飞控技术与厘米级导航定位系统、高精度成像系统相结合，TimeSync系统、飞控、相机与RTK时钟系统实现微秒级同步，相机成像时刻毫秒级误差，可以获取精准的POS数据。多旋翼无人机起飞灵活，空中飞行姿态稳定，可调整云台角度，适合高精度航空摄影测量[3]。无人机技术参数如表1所示。

图1 DJI P4R无人机

DJI P4R无人机技术参数 表1

3 无人航测作业方法

无人机航空摄影测量主要包括技术准备，航线规划，外业数据采集，内业数据处理等环节[4]，基本流程图如图2所示。

图2 无人航测作业的基本流程

4 项目试验

4.1 试验目的

通过实地试验，实践完成DJI P4R无人机航测作业的整个流程，根据无人机实验数据结果，分析设备免像控技术生成三维模型的整体精度，判定DJI P4R无人机作业能否满足在城市密集高建筑区生产1∶500比例尺地形图的精度要求。

4.2 测区概况

本次试验区位于武汉市青山区和平大道，为城市繁华闹市区，人车流量大，街道两侧多层建筑物密集，整个测区长约 5 000 m，宽约 200 m。根据测区范围设计 200 m带状区域飞行，飞行空域不涵盖禁飞区，实际航测范围如图3所示。

图3 航测范围示意图

本次航测成果平面基准采用武汉2000坐标系(基于CGCS2000坐标系统的武汉市独立坐标系)，高程基准采用1985国家高程基准。

4.3 外业数据采集

按照航测规范要求，在DJI P4R遥控器中导入测区KML格式范围线，进行航线规划和飞行参数设置，根据测区长度和地面建筑高度变化情况，将测区分割为4个航带范围分区作业，平行道路方向规划正射航线。

在测区内均匀布设12个地面控制点，利用WHCORS-RTK方法采集目标坐标系控制点三维坐标，作为三维模型精度检查点。

采用定时拍照模式，飞行过程中，实时观察遥控器图传画面，当飞行器抵近高层建筑时，手动操作遥控器后退摇杆，降低飞行速度，增加拍照数量，以提高建筑区航向重叠度，提高三维模型精度。

本次项目航线设计主要参数如下：

(1)相对航高：100 m～150 m

(2)地面分辨率：2.74 cm～4.11 cm

(3)航向重叠度：80%

(4)旁向重叠度：75%

(5)飞行速度：7.9 m/s

(6)拍照模式：定时拍摄

(7)坐标系统：CGCS2000

4.4 内业数据处理

本次航测外业完成4个飞行架次，共获取854张正射航片，所有POS数据均为固定解。

由于无人机外业采集的坐标为CGCS2000坐标系统下的大地坐标B、L，大地高H，建模之前需要将坐标成果转换为WH2000坐标系下的高斯平面直角坐标x、y和正常高h。

利用DJI Terra软件导入所有照片，导出POS数据，利用武汉市似大地水准面精化应用程序进行高程异常改正，如图4所示，将大地高H转换到1985国家高程基准下的正常高h，修改POS数据中的高程值，重新导入至建模软件。

图4 似大地水准面精化

似大地水准面精化计算公式为：

h正常高=H大地高-ξ

建立高斯投影地方坐标系PRJ文件，导入DJI Terra软件，将建模成果投影到WH2000坐标系[5]。

采用免像控方案，基于高程精化改正后的POS数据进行空三加密及三维建模工作。在建模软件中导入地面像控点完成影像判读、刺点工作。所有控制点均设置为检查点，不参与空三约束平差，仅用作精度分析[6]。

5 精度分析

本项目以坐标转换后的POS数据进行绝对定向完成三维重建，地面检查点来验证三维模型的精度；检查点的坐标为(xi，yi，hi)，采用均方根(RMSE)分别计算水平分量中误差dx，dy，高程中误差dh。

精度较差计算公式为：

中误差计算公式为：

根据公式，结合三维模型和对应点检查点坐标值，计算得到地面检查点精度，如表2、表3所示。水平分量中误差dx为 0.027 m，dy为 0.022 m，高程中误差dh为 0.065 m。其精度优于 1∶500比例尺地形测图要求。

地面检查点精度比较 表2

检查点均方根误差 表3

6 结 语

本文以DJI P4R无人机为平台进行1∶500大比例尺测图的精度分析，选取城市密集高楼建筑区进行航测试验。规划任务航线，完成正射影像采集，获取航测照片及高精度POS数据，影像分辨率优于 5 cm。

利用武汉市似大地水准面精化程序进行POS数据高程异常改正(大地高-正常高)；制作坐标转换PRJ文件(CGCS2000-WH2000)，进行高斯投影变换；基于POS辅助空三的免像控技术进行三维建模；利用WHCORS-RTK方法采集地面控制点作为像控点，进行三维模型精度分析，经计算，平面和高程中误差均可满足《城市测量规范》1∶500数字线划图要求。

因此，通过有效的航线规划和POS数据高程精化处理，DJI P4R无人机能满足生产1∶500比例尺地形图的精度要求，从而提高无人机航测作业效率。