无人机在校园地形图测绘中的应用＊

施艳秋，吴忠翔，冯嘉城，高 航

（1.吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132000；2.中国铁路武汉局集团有限公司武汉桥工段，湖北 武汉 430000；3.中国铁路济南局集团有限公司铁道战备舟桥处，山东 济南 250000）

1 引言

地形图发展历史久远，是一个国家关键的基础地理信息材料。日常生活及发展规划、资源调研都离不开地理信息和不同精度的地形图。地形图从纸质发展到数字电子化，从二维到三维。测量方法上经历了从传统测量生产体系向数字化系统的转变[1]。电子测速仪、GPS－RTK、地面三维激光扫描技术（TLS）等前沿高新技术的产生，给数字化测量带来了不同程度转变，生产效率大幅提高，精准度上也逐步提高。航空摄影测量、卫星测图将测绘方式发展为天、空的测量模式。航空作业由于成本高、精度不达标还不能覆盖大部分地形图的要求，这为以无人机为平台的低空摄影测量技术提供了契机。凭借着中国制造的优势，国产无人机有灵活、成本可控、分辨率高等优越性，借助于地面控制点便可实现大比例尺地形图外业测绘。目前许多学者致力于免像控倾斜摄影测图的研究，文献[2-8]利用不同型号无人机，搭载不同设备，调整不同角度及航测方式，在不同场地探索研究如何制作射影像图（DOM）和数字高程模型（DEM）及内业如何衔接不同软件输出三维模型和二维图纸，利用无人机在农业、林业、建筑工程、环境工程、交通工程及应急救援等领域，进行不同比例，不同地形和范围，不同精度的二维及三维测绘研究。

文章采用大疆Phantom 4RTK无人机，该无人机具备厘米级定位系统和优异的流程系统，大大减少了传统测量测绘中所需的控制基点，简化了工作步骤，降低了经济和外业作业时间成本，提高外业效率，在应急保障和具有特殊地理环境和局部小区域地形图测绘具有明显的优势[9-12]。通过无人机飞行用倾斜摄影的方式获取校园影像数据，外业测量获取校园数据影像，利用大疆智图三维建模软件建立了三维模型，eps2016地理信息工作站三维测图专版软件绘制了校园二维地形图纸（CAD），实现吉林铁道职业技术学院既有校区建筑物及二期规划校园地形图测绘，探索实践数字化测量生产体系替代传统测量生产体系的转化路径和实现方式。

2 航飞影像数据获取

2.1 作业前准备工作

主要准备工作包括资料搜集、设备调试、场地踏勘等。

（1）收集吉林铁道职业技术学院已有资料，基础地形图、结构特征，了解吉林铁道职业技术学院交通位置及详细地貌情况。

（2）设备检校，遥控手部及无人机搭载设备及电池情况。

（3）遥控手部、无人机相关软件是否升级匹配。

（4）提前了解天气及风速，踏勘选择吉林铁道职业技术学院周边适合的起降场地。

2.2 测区概况及环境信息

吉林铁道职业技术学院，位于吉林省吉林市。总面积86万m2，建筑面积49万m2，二期规划用地37万m2。测区属亚温带大陆性季风气候区，其特点是四季分明，雨热同季，气候温暖湿润，雨水充沛，风速低缓，霜冻期短，全年主导风向为西南风，其次为西北风，全年平均风速1.4 m/s。测区地形最大高差48.42 m，此次测绘使用的是大疆Phantom 4RTK无人机，四旋翼高精度航测无人机，适用低空摄影，机动灵活，镜头夹角60°，井字形航行路线。设计航线航高200 m，航向和旁向重叠度分别为80%和75%，外业航行时间100 min，获取1 003张影像，测区数据生产作业流程详见图1。

图1 测区数据生产作业流程图

精灵4数据生产过程中，机载pos数据和基站GNSS数据已经实现功能模块化，不需要再进行人为控制，内方位元素和原始影像从存储卡上导入到大疆智图中已经能自动识别和匹配，测区数据几乎智能化匹配，根据软件自带功能点击空三测量运算，可查看空三运算数据和效果，效果满意可继续下一步整体平面图生成和三维实景模型构建，构建完三维模型和用于展示和下一步等高线地形图出图。实际操作过程中，为了让三维模型效果更清晰，对校园的主要建筑物进行补拍，通过调整无人机云台角度拍摄建筑物航拍不容易拍摄的背面和房檐凹凸部位，手控飞行拍摄。

2.3 数据采集过程

航飞影像获取，包括起飞前设备检查、无人机航线任务规划与执行，现场飞行数据整理、重点区域手动补飞。

（1）起飞前设备安全检查

为确保本次无人机航拍摄影安全，无人机启动后需要进行自检，具体如下：①网络RTK状态检查，无线网络连接检查、GNSS天线视野开阔、卫星连接数量检查，指南针校准，排除地磁干扰。②存储卡检查、相机设置检查、清洁相机镜头。③旋翼检查,灰色与黑色旋翼安装是否匹配。④飞机定位返航点检查，启用手部后开启无人机，等待系统正常连接后，即可起飞。

（2）无人机航线任务规划与执行

无人机升空后，按照本次作业规划航线进行数据影像采集，用无人机遥控器对无人机工作状态和环境进行实时监控，操作人员应时刻关注无人机的飞行状态、时下风速、飞行的高度及其他指标，如有异常应立刻做出处理确保无人机安全，正常情况下，默认按照规划航线采集数据，完成后无人机自动返航。本次作业航飞8架次，共采集影像数据1 500张。

（3）现场数据整理

作业现场对飞行数据进行整理，检查拍摄照片数量和清晰度是否满足要求，是否出现漏拍现象，若无其他问题，则本次规划航线拍摄任务完成，可酌情考虑对重点区域进行二次补拍，精细化三维模型的展示和预览需要对航拍无法拍摄到的侧面进行补拍。

（4）重点区域手动补飞

根据现场数据整理情况，再次进行无人机安全检查，确保无误后手动升空进行补拍，针对铁轨，建筑尖顶，建筑物房檐及阴影区域近距离多角度高重叠度补拍。无人机航线规划有2种实现方式，一种可直接利用无人机遥控器界面地图进行测区范围和路线规划；另一种可以利用奥维互动地图提前在室内划定测区范围，导出KML文件，利用存储设备上传到无人机遥控器内存装置，外业作业时直接调用KML文件，水平面航线规划详见图2。

图2 水平面航线规划图

Phantom 4RTK无人机航测及后处理软件处理后平面图成图精度能满足校园规划地形图精度要求，可根据垂高实现精度调整。无人机自带避障系统，可以大大减小无人机的碰撞风险。由于该无人机质量较轻，导致在风速较大的情况下无法起飞，所以选取了晴天微风的天气。前期通过校园探勘和奥维地图标定规划最优航线，在执行飞行任务前调整好飞机参数，飞行时用事先规划的最优航线飞行。考虑冬季电池续航情况差，建议进行室内规划航线，节约户外电池用量。

3 数据内业后处理

无人机外业作业结束后转到数据转入内业处理，实景三维建模过程包括数据准备、空三加密、建模输出3个环节[13-15]。数据准备主要是整理航飞影像数据、相机文件、POS 数据以及像控点数据，使其满足软件平台的要求。由于采用免像控无人机倾斜摄影测量技术，在利用大疆智图进行三维建模时省去了刺点，直接导入影像，设置兴趣区域建模，设置输出坐标系管理，CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 126E坐标系提交空中三角测量[16-19]，完成后点击新建重建项目，最终生成三维模型，由于生成的三维模型要导入到清华eps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。利用大疆智图三维建模软件构建校园三维模型，在构建的实景三维模型基础上，通过使用eps三维测图软件绘制校园地形图，采集地物地貌特征点、线、面，最后通过内业编辑的方式制作地形图，三维实景底图省去繁琐的外业调绘工作。打开eps2016地理信息工作站三维测图专版软件，将osgb模型导入工作空间，在工具栏地貌模块中选取高程点，鼠标单击三维模型将所需高程点依据实际地貌以及控制高程点全部提取，根据居民地模块将所有建筑物边界拾取，根据交通模块将主次干道以及小路边界拾取，根据水系模块将校园人工湖边界拾取。eps软件高程点全部拾取结束进入地膜处理-生成三角网-生成等高线-关闭三角网-输出外部数据dwg格式，进入cad进行编辑处理[20-22]。处理结果详见图3。

图3 校园二维平面图

根据地层地貌及建筑物信息修正平面图，测区所属地理位置，为丘陵地貌按其成因，可分为构造剥蚀地貌和侵蚀堆积地貌2种类型。构造剥蚀地貌又分为中山、低山、丘陵3个亚区；侵蚀堆积地貌为阶地漫滩。中山：地形起伏大，海拔高程在1 000 m以上，切割深度为200～400 m，主要山脊走向为NE→SW，山坡坡度一般为25°～45°。低山：地形起伏大，海拔高程500～1 000 m，切割深度100～300 m，山脊尖顶状、馒头状，山坡坡度为20°～35°。丘陵：地形起伏较大，海拔高程200～500 m，切割深度30～200 m，呈浑圆状，丘间河谷发育，山坡坡度小于25°。阶地漫滩：阶地较平坦，主要由冲洪积砂、砂砾石组成，一般高出河水位2～4 m，漫滩主要由冲积砂砾石、砾卵石组成，一般高出河水位0.5～1 m。测区地层情况，新生界第四系地层，具体地层和地貌情况及建筑结构物信息可根据实景三维模型与二维地形图进行匹配，并对建筑物及道路的具体信息进行现场实际校对后修正到地形图上，对主要建筑物及校园内主要道路识别标记，最后根据出图使用情况确定比例尺套用相对应的图框，地形图测绘完成。

4 启示及建议

文章采用大疆Phantom 4RTK无人机倾斜摄影测量技术，获取吉林铁道职业技术学院影像数据，利用大疆智图软件对校园实景三维建模，模型精度6 cm实景展示校园已有建筑物及二期规划用地情况。使用eps三维测图软件进行数据采集，绘制了校园1：4 000地形图。

无人机校园测绘相较于传统测绘具有操作便捷大幅降低人力成本，提高作业效率。86万m2校园外业作业时间只需100 min，但无人机测绘受限于天气和蓄电池的使用时间。随着技术的进步，无人机测绘技术将会更好地服务测绘基础行业，如铁路线路检修、特殊地貌测绘、建筑设计规划、低空遥感数据获取等领域。尤其是在布设像控点困难的地区，如悬崖，沼泽地，冰川及地质灾害频发地区，进行局部应急测绘展现三维实景时，大疆Phantom 4RTK无人机倾斜摄影测量技术更具有实用意义。