无人机航测在矿山井田区域地形图测绘中的应用

赵军伟

(晋能控股煤业集团有限责任公司 晋城煤炭事业部,山西 晋城 048000)

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机[1-2]。航空摄影测量(aerial photogrammetry)指的是在飞机上用航摄仪器对地面连续摄取像片,结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤,绘制出地形图的作业[3-4]。本项目相比传统的航空摄影测量方法,有着作业效率高,成本低,使用范围广等优点。

1 测区概况及仪器设备

1.1 测区概况

测区位于山西省晋城市沁水县端氏镇,有侯月铁路和端润一级路从项目区内穿过,有高沁高速、省道331坪曲线在测区附近通过,交通便利。测区范围面积约14.1 km2,沁河在测区内从北到南穿过,区域内高山、丘陵、河谷、居民区密布,作业难度较大,干扰因素较多。海拨最高为井田西北的克山，其值为732.60 m,最低为矿井工业广场沁水河床，高550.20 m。

测区内地形起伏较大、沟壑纵横,地貌单元为山地地貌,区内气候温暖,交通便利,平均气温12.2℃,年降水量580.2 mm。

1.2 飞行平台及航摄仪

图1 大鹏CW-10C无人机

表1 无人机飞机参数一览表

航摄仪使用索尼A7R半画幅微单相机,主要技术指标为主距35.00 mm;像元尺寸4.88 μm;像元数(pixel)7 360×4 912。

1.3 航摄软件

天工全数字摄影测量系统(CW-10C UAS),该测量系统由武汉讯图科技有限公司研发,整合了航线规划和任务飞行、过程数据提取、飞行质量检查、空三加密、DOM 生产 5 大模块,能满足本项目航飞作业及后续数据处理的要求。

影像处理建模软件是ContextCapture,它是基于数码照片生成全三维模型的软件解决方案;其特点是能够基于数字影像照片全自动生成高分辨率真三维模型;照片可以来自于数码相机、手机、无人机载相机或航空倾斜摄影仪等各种设备;适应的建模对象尺寸从近景对象到中小型场所再到街道再到整个城市[5-7]。

立体采集软件是uFeature3D,它是一款面向航测的信息化测绘软件,集成测绘、CAD、GIS三个领域的实用技术,提供空间和属性数据的浏览、查询、采集、编辑、管理、分析、制图输出等测绘和GIS的核心功能。系统包含三维采集模块,支持用户在实景三维模型上进行地物采集和成图等工作,并提供多种量测和绘图工具,满足多样化绘图需求。

2 外业航摄及内业影像数据处理

2.1 飞行任务

根据对测区范围的地形分析,测区相对高差约180 m。划分航摄分区遵循原则为：分区界线应与图廓线相一致；分区内的地形高差不应大于 1/6 摄影航高；在地形高差符合规定,能够确保航线的直线性的情况下,分区的跨度应尽量划大,能完整覆盖整个摄区；当地面高差突变,地形特征差别显著或有特殊要求时,可以破图廓划分航摄分区。

本次航摄进行了分区设计,共分2个航摄区,进行了3个架次的航测作业。CW-10C 无人机具有垂直起降固定翼的特点,对起降场地要求较低,一般在平整、空旷场地即可完成起降动作,飞行过程中转换成固定翼飞行，飞行时间长且飞行距离远。

本次作业在无人机飞控软件中加载Microsoft Hybrid影像和高程数据,自动进行航线的规划设计,航摄基准600 m,相对航高180 m,影像基线长度为2.138 75 mm。航向重叠度设置为80%,旁向重叠度设置为60%。完成面积为18 km2,最后所得各条航带数据满足后续处理的要求及精度。

2.2 相片控制点的布设与实测

1)相片控制点的布设。本项目全区共布设像控点50个、实际采用42个。布点采用“全野外平高区域网布点法”,像控点均选在高程变化较小的平坦地方,例如平山头、道路或田间平地,且在测区内均匀分布。像控点采用L字白石粉或L字红油漆标志,线宽0.3 m,长0.6～0.8 m,保证可以从航测照片上清晰可见,测量直角外角。测区按照GNSS辅助无人机高精度稀少像控点方案实施。GNSS辅助空中三角测量中的像控点布设与常规密周边布点方式有较大差异,主要布设在设计航线和构架航线交汇处。特殊情况布点:当因各种原因需要补飞航线时,补飞航线与正常航线接合处应各自分别布设一对平高点,以便于后期模型接边；特殊情况下的布点按照规范 GB/T 7931—2008《1∶500，1∶1 000，1∶2 000地形图航空摄影测量外业规范》执行。

2)像控点的编号。本项目像控点和测区控制点重合布设,故对像控点进行统一编号;平高点采用英文字母 P+流水号的方式编号(如:P0001),平高检查点用英文字母 J+流水号的方式编号(如:J0001),全测区各类控制点不重复编号。

3)像控点测量。本次像控点部分采E级GPS 控制点,缺少的部分根据需要实地另行布设。与E级GPS 控制点公用的相控点点位从平面控制测量获取,单独布设的相控点点位坐标利用测地型GNSS接收机RTK模式连接SXCORS系统,在固定解的状态下对L型像控点直角外角进行采集,每次采集10个历元,采样间隔 2 s,共测3个测回,取3次测量的平均值作为最终测量结果。

2.3 低空摄影实施

按照预定任务进行航摄。本次飞行时间段选择在上午9点至下午5点之间。在作业期间,综合考虑以下因素:大气透明度好;光照充足;地表植被及其覆盖物对摄影成图影响最小;考虑太阳高度角与阴影倍数,在正午前后2 h作业;风速小于无人机抗风能力12 m/s。CW-10C 无人机具有垂直起降固定翼的特点,对起降场地要求较低,一般在平整、空旷场地即可完成起降动作,应用GCS-202地面站和数传系统,可全程利用CWCommander地面站软件对无人机进行控制。“飞行任务规划与执行”工作模式是自驾仪设备在执行飞行任务过程中的工作模式,当用户将自驾仪设备安装到无人飞行器,并与飞行器的执行装置,任务设备的调试完成,即可在该模式中进行飞行任务的规划和执行。在软件右侧停靠若干窗体,可分别进行飞行控制和飞行状态显示。飞机安全降落后,地面站人员把相机里的数据拷贝在电脑上进行检查,具体操作如下:航摄任务完成后,在CWCommander软件航摄任务菜单中的航拍动作页面,首先请求照片总数,然后下载POS数据,下载完成后,航摄照片POS以文本文件的形式保存,并自动打开,检查无误后,可将其存到文件夹进行后期处理。

2.4 飞行质量检查

当外业航飞工作完成,需采用天工全数字摄影测量系统(CW-10C UAS)中的飞行质量检查模块对外业航飞成果进行检查,主要检查以下内容:航片重叠度;航片倾角;航线弯曲度;像片旋偏角同一航线上相邻像片的航高差;影像分辨率;影像是否有漏洞等。

2.5 航摄数据影像处理

本次作业不仅使用了RTK实时差分技术，还结合使用了PPS后差分处理技术。处理软件结合航飞原始POS数据photo、地面站数据Base和移动站数据Rover以及基站信息,对航飞照片进行后差分处理,获取厘米级的航飞数据。JOPPS后处理软件处理的数据需保证固定解(fix)不小于90%,解算结果以*.txt格式保存,通过对机载接收机和地面站接收机所记录的卫星观测原始数据进行后处理差分解算,改正相关扰动数据等,从而获得厘米级的动态位置,POS数据及高度精度,可减少至少80%的外业像控点,并且能极大地提高航测的作业效率和数据精度。

空三加密与模型建立采用全数字摄影测量系统ContextCapture,该系统空三像点精度优于2/3个像素,模型精度满足1∶2 000精度。全自动三维建模采用多机多节点并行运算的ContextCapture软件进行,将空三后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建。模型修饰原则上只对水域空缺或模型漏洞进行修补,采用水面或补飞数据进行约束干预后重新生成模型,使模型不存在漏洞。影像数据处理成果图形如图2所示。

图2 局部三维模型图

3 地形图的制作

使用uFeature3D进行地形图绘制,加载DSM进行三维坐标采集,同时用适当的符号表示立体下识别的地物。立体采集原则:由内业定位,外业定性。内业将有把握并能够判断准确的地物、地貌要素直接采集;对无把握判断准确的地物须尽量采集,并用圆圈进行标记由外业实地进行精确定位和补调。立体模型中地物轮廓全部可见的要用测标中心切准地物外轮廓和定位点采集,做到不遗漏、不变形、不移位。地物轮廓部分可见时,要测绘出部分轮廓线。在辨别困难处作出标记,留作外业进行处理。水系如水塘、双线水渠及河流,以岸边线为外轮廓线。测制地形图时,其平面坐标和高程取小数位都为0.1 m。明显地物点、地形特征点、一类方位物上均要求测绘高程注记点。等高线全部用人工以测标切准立体模型采集,不得穿越房屋,且注意不得有点、线矛盾。模型接边图幅接边点、线、面保持一致性。

3.1 高程点要素采集

采用人工点选、线选、面选的方法,分别对测区范围内不同地貌进行采集,高程变化大的地貌,高程点密集采集,地势平缓之处则均匀分布;利用采集好的高程点建立三角网(DTM),并对三角网进行编辑,达到图面DTM完善;在完善的DTM基础上,绘制等高线,等高线采用曲线模式,1∶2 000等高距为2 m。

3.2 线要素采集

使用相应的线型符号,在立体下对地物的边界进行勾绘,采集时没有使用拟合性质的曲线,线段上点间距设置合理,保证了曲线的光滑和真实,数据没有失真。

3.3 面要素采集

闭合的面按多边形采集,较大的水域用流线段采集,保证线的连接和高程值的合理,对于高低层次不同的面状地物,依据技术设计书的原则,从最高处地物封闭采集,低层地物依附于高层地物[8-9]。立体采集绘制地形图如图3所示。

图3 立体采集绘制地形图

本项目1∶2 000地形图共完成14.31 km2。采用50 cm×50 cm标准正方形分幅,共计24幅。地形图接图表如图4所示。

图4 1∶2 000地形图接图表

3.4 优势

传统的航测立体采集利用不同摄站建立具有一定重叠度的立体像对采集,一般需要在专门的立体环境(包括立体显示器、立体显卡、立体眼镜)形成立体效果,通过控制手轮和脚盘,观测立体镜来采集立体像对的物点三维坐标。而在立体模型上的立体采集具有以下优势:设备简单成本低,不需要立体环境和手轮脚盘,普通电脑就可以操作;易于操控且作业形式简单,不需要训练就可以采集;最终成果数据的制作周期短、模型的清晰度高、逻辑性连续、数据更有保证、工人的劳动强度降低。

4 成果质量检查

4.1 内容检查

主要检查内容为地形图成果地物地貌要素表示的完整、准确,各种图式符号、文字和注记的规范,图面清晰、美观,各种线型表示是否符合要求。属性精度检查主要包括分类代码和属性正确性的检查。分类代码主要检查地形地物分类代码是否正确使用、是否接边;属性正确性主要检查属性值是否正确使用;完整性检查主要检查地图基本要素是否完整,地形地物要素是否遗漏;逻辑一致性检查主要检查概念一致性、拓扑一致性和格式一致性;表证质量检查主要检查几何表达、地理表达、符号、注记和整饰等;附件质量检查主要检查元数据、质量检查记录、质量检查验收报告和技术总结的完整性、正确性。

4.2 数学精度检查

空间参考系检查涉及大地基准、高程基准和图形投影三个方面。大地基准主要检查平面坐标系是否符合要求;高程基准主要检查高程基准是否正确使用;地图投影主要检查地图投影是否正确使用,地图分幅和内图廓信息是否正确和完整;位置精度检查主要涉及地形地物的平面和高程精度。平面精度检查内容包括平面位置中误差、控制点坐标、地物几何位移和接边误差;高程精度检查内容包括高程注记点的误差、等高线高程中误差、控制点高程和等高距是否正确。使用GNSS测地型接收机RTK模式对地形图随机选取20个均匀分布的明显地物点作为检测点,测定检测点的坐标,结果如由表2可知,DLG数字线画图精度满足规范要求。表中X、Y、h表示选取图上地物点的横坐标、纵坐标和高程；X检、Y检、h检表示实测地物点的横坐标、纵坐标和高程；ΔX、ΔY、Δh、Δd分别表示横坐标较差、纵坐标较差、高程较差和距离较差；Es、Eh表示平面位置中误差和高程中误差。

表2 数字线画图精度检核表

5 结论

本文通过航空摄影测量作业方法对坪上矿1∶2 000井田区域地形图的测绘，得出结论：本套作业方案获取的DSM、DLG精度更高;使用PPS事后差分后，相控点数量降低了2/3,减少了外业作业；使用uFeature3D采集系统，使得立体采集没有了硬件限制，降低了作业门槛，提高了工作效率。此次工作从项目开始到提交成果需要7 d，充分发挥了无人机航空摄影测量的优势与特点，具有一定参考意义。