免像控无人机航摄系统在公路带状地形测量中的应用与精度分析

狄桂栓，沈彪群，高 波，李 涛

(1. 山东省国土测绘院，山东 济南 250102； 2. 济南数维空间测绘技术有限公司，山东 济南 250101)

测绘4.0：拓普康索佳应用方案专栏

免像控无人机航摄系统在公路带状地形测量中的应用与精度分析

狄桂栓1，沈彪群2，高 波2，李 涛1

(1. 山东省国土测绘院，山东 济南 250102； 2. 济南数维空间测绘技术有限公司，山东 济南 250101)

近年来，随着我国经济的高速发展，道路、河流等大型基建工程的施工与管理已经逐步迈向机械化、智能化的新台阶、新高度。无人机航摄系统也是随着国家大型基建工程的开展应运而生的全新的测绘新手段。然而无人机航摄系统由于无人机的飞行不稳定性等诸多因素造成了精度不稳定性，特别是点位高程精度多不能满足实际工程需要，是航摄工作者的普遍认识。一般的无人机航摄伴随着大量的像控、水准等辅助工作，相较于传统地形测量，优势未能突显出来。本文采用天狼星航摄系统的MAVinci Desktop制定飞行计划，利用AgiSoft PhotoScan Pro航空测图系统实现免像控影像自动拼接处理，同时实现在EPS等软件下直接做裸眼3D数据采集作业，无需传统立测的3D眼镜、手轮、脚盘等生产设备。以山东某高速公路带状地形图测绘工程为实例，采集道路中心线，并在沿线公路或其他硬化路面设靶标点，对静态联测与水准测量的测量结果对比航摄系统测量结果进行试验分析。

1 免像控无人机航摄系统技术优势

1.1 内置实时RTK模块，实现航摄免像控

在传统航摄作业模式下，布设地面图像控制点的工作占用着大量人力物力及工期，与地面控制点相关的静态测量、水准测量等工作几乎能占用项目40%的时间。在公路等带状地形图测绘项目中经常遇到工作人员进入困难甚至无法进行人工作业的情况(如山区、灾害现场，禁区)，这将大大增加项目开支，很多情况下还要以损失测绘精度为代价才能完成。天狼星无人机航摄系统结合RTK技术，可获取高密度、高精度的航空制图像控点，这种精密定位技术使得像片位置信息实现和地面控制点同样的功能。

该系统搭载着100 Hz迈新率的拓普康GNSS接收机，实现100 Hz RTK数据更新。无人机在飞行过程中采集像片的位置信息，该位置信息都具有RTK固定解算精度，通过整合精密测时和高精度定位技术在空中完成传统的地面像控测量。平面精度可达5 cm，高程精度达10 cm，满足了1∶1000～1∶2000测图要求。

1.2 MAVinci Desktop制定飞行计划实现自适应地形起伏

MAVinci Desktop不仅可以在办公室里提前创建飞行计划，还可以在飞机快速组装结束后由操作者临时指定目标区域和期望的GSD进行快速创建飞行计划，飞行计划传输到飞机后，手抛起飞后飞机自动完成飞行任务。在重丘类地形变化特别大的情况下，无需人工多次分割飞行区域多次起飞作业，飞机的自适应地形变化功能可以根据地形变化自动改变飞行高度等参数，保证飞机在躲避高山等障碍区的同时也保证了影像重叠率，确保影像获取的质量。

同时，MAVinci Desktop可以采用高集成化一键设计飞行计划，只要输入想要的作业精度值，导入作业范围文件便可实现航线自动划分，飞行高度自动设定与自适应，自动设定飞行带宽及重叠率等技术参数。利用MAVinci Desktop的影像快速拼接功能生成线路测量及调绘用图，改变了调绘人员等调绘片的工作实际。上午航飞的数据下午就可以完成实地调绘，大大提高了工作效率，缩短了工程工期。

1.3 AgiSoft PhotoScan Pro实现智能化数据处理

AgiSoft PhotoScan Pro不过分受角度场景的限制，实现每小时800张低空影像的匹配制度。系统自带平差系统，无需借助第三方软件，可自动智能化后处理：一步直接导出DOM、DEM、点云，无需空三加密等流程；可在虚拟采集软件下直接做裸眼3D采集，无需传统立测的3D眼镜、手轮、脚盘。

2 工程应用分析

2.1 试验区工程概况

为了验证该系统的自适应性能，将试验区工程选在泰安、临沂的山区和重丘区域，全长30 km，高差起伏约190 m，其中也包括10 km的市区平坦路面。于2016年7月对试验区进行了低空航摄数据采集，采集宽度300 m，面积约9 km2，起飞架次10架次。

2.2 航摄计划创建与参数设定

考虑到测区地形起伏较大，实地工作环境温度最高35°C，风力最大6级。为保证无人机安全航飞，设定参数如下：地面采样间隔3 cm，飞行航高约120 m，模式为自适应地形工作模式，航飞带宽300 m。

2.3 检测靶标及检验点设计与测量

为检验航飞精度，在试验区硬化路面的地方，间隔约500 m处绘制地面检测靶标标识，靶标尺寸为30 cm×30 cm ，并进行独立的GPS静态网观测和水准测量，联测当地GPS控制点4座，水准控制点2座，共布设靶标60个。另外以网络RTK作业方式采集影像明显位置检测点近3000余点，包括房角、路灯、明显的地面坎角、大型高压线塔特征点，还采集了试验区的高压线两线塔中间的悬高等进行试验比较分析。

2.4 无人机航摄系统测制大比例尺地形图工作流程

无人机航摄系统测制大比例尺地形图工作流程如图1所示。

图1 无人机航摄测制大比例尺地形图工作流程

从航线设计与航飞到影像快速拼接都在MAVinci Desktop程序下完成，AgiSoft PhotoScan Pro程序实现了快速空三直接生产DOM、DEM及点云数据，然后转到立测成图工序，此次试验采用了EPS软件进行裸视三维立测。

3 试验数据精度分析

本工程试验的靶标实测数据采用GPS静态测量与水准测量的传统控制点测量作业模式获取。在当前无人机航摄技术水平上，主流的航摄系统在平面精度上都能满足实际生产需要。此次的试验数据平面精度优于5 cm，在此不再作为精度分析重点。一般主流无人机航摄系统高程精度很难保证，此次试验60座靶标检验高程精度较差见表1。

表1 靶标检验高程精度较差

其中，高程差值最大为0.137 6 m，平均高程中误差为0.076 m。另外为了使试验数据更具有说服力，采用网络RTK作业模式采集道路两侧边线高程点2000点，计算高程中误差为0.102 m(该数据也包含了网络RTK数据误差)，其他明显地面特征点1000点，计算高程中误差为0.113 m。考虑到网络RTK自身测量精度的影响，综合评价无人机航摄高程精度约为2×GSD，实现了10 cm的高程精度。如果将地面采样间隔(GSD)设定为2 cm，理论上可实现5 cm的高程精度，但由于飞行高度较低，实际操作中可能存在一定操作风险。但该航测系统已经足以满足1∶1000、1∶2000大比例尺数字化成图的精度需要。

4 结束语

本次免像控无人机航摄系统在测制大比例尺地形图试验，充分说明小型无人机已经成为一种新型的低空航摄系统，是中高空航摄的有效补充，配上高集成化的软件处理程序，是传统GPS等传统测量手段外的又一次革命，在公路勘察与改扩建工程时可在不需要封路的情况下快速完成测量任务，高密度的点云数据为土石方计量等工作提供了更加精细准确的计量依据。特别是内置RTK模块后，具有了100 Hz的高频实时差分、免像控的先进技术，大大提高了工作效率，节约了人力物力等成本，能够为更多测绘类工程提供有效的地理信息数据。

(本专栏由拓佳丰圣和本刊编辑部共同主办)

狄桂栓(1985—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为大地测量、GNSS理论及应用、INSAR技术及应用。E-mail:xiaodi-2008@163.com