基于大疆精灵4 RTK的快速测绘方法研究

秦家鑫，邓明军

（1.天津市测绘院有限公司，天津 300381；2.湘潭大学 自动化与电子信息学院，湖南 湘潭 411105）

2020年春节后新冠肺炎疫情形势仍然严峻，部分企业大门紧闭，仍未复工复产，一些乡村、小区延续着交通管制、隔离管理的控制措施。在这种情况下，测量人员像往常一样进入现场进行实地测量就会遇到一定的阻碍，但一些关系到民生发展的测绘生产项目必须稳步推进。一方面是严格的管控措施，另一方面是需要按时完成的测绘生产任务，如何能在减少人员接触、减少实地测量的情况下，快速精确地完成测绘成果，成为测绘人员所面临的难题[1]。鉴于此，结合消费级无人机航空摄影测量的工作特点，本文提出了多内业、少外业的技术路线，单人即可完成整个流程。该方法有效减少了人与人的密切接触，且不受地域封闭的限制，已在地形图测绘[2]、规划竣工测量[3]、地籍测量[4]、三维建模[5]、土方量计算[6]等基础测绘中得到有效应用。

1 基础测绘产品现有生产技术手段

基础测绘产品以4D产品（DEM、DOM、DLG、DRG）为基础，应用于各种测绘任务工作中。现阶段，我国城市基础测绘的工作手段大多依托3S技术，首先利用全站仪、GPS接收机、水准仪、测距仪、探测仪等测绘仪器完成外业测量，然后根据外业测量数据，在计算机上利用相关成图软件进行编辑处理，最后生成测绘成果[7]。该方法的作业时间更多地集中在外业实地测量上，以3～5人小组的形式协同完成测量。然而，在疫情形势严峻的情况下，无法避免人与人的密切接触，当遇到测区实施隔离管控时，测量工作只能中断。

2 基于大疆精灵4 RTK的基础测绘方法

2.1 大疆精灵4 RTK的技术优势

大疆精灵4 RTK是一款消费级多旋翼高精度航测无人机。其优势主要为：①搭载多频多系统RTK模块，相机与RTK模块μs级时间同步，提供实时cm级定位数据，无需布设像控点；②在100 m飞行高度下的地面采样距离可达2.74 cm，以确保高精度成像，畸变数据存储于每张相片的元数据中，方便后期处理；③内置航线规划功能，简化了飞行过程中的操作，实现了自主飞行，对飞手的要求很低；④小巧轻便、易于携带，单人即可完成全部外业飞行任务。总之，经过短期培训，一名 普通的外业测绘人员即可独立完成无人机的飞行任务。

2.2 技术路线

目前，市面上的无人机影像后处理软件各种各样，技术也相对成熟。本文选用的影像后处理软件为Pix4Dmapper和Context Capture。这两款软件自动化程度高、操作简便、处理效果佳。利用大疆精灵4 RTK进行基础测绘的技术路线如图1所示，首先根据项目需要，对测区进行垂直摄影或倾斜摄影测量；再采用Pix4Dmapper处理垂直摄影相片，得到DSM、DOM、点云数据；然后采用Context Capture处理倾斜摄影相片，得到三维模型；最后基于三维模型和DOM，通过立体测图的方法，利用清华山维EPS软件完成DLG的生产[8-13]。除此之外，DSM和点云数据还可用于土方量的计算；DOM可为质检提供依据；在修补测过往地形图时，将地形图与DOM叠加，可直观获取需要修补测的区域等。

图1 技术路线图

2.3 影像获取

在测区内或测区外不远处选择一个视野开阔、无强磁强电、无信号干扰的位置作为起降点；一般在远离车流人群、RTK可获得固定解的平坦位置即可。大疆提供了摄影测量2D、摄影测量3D（井字飞行）、摄影测量3D（五向飞向）、航点飞行、航带飞行和仿地飞行6种航线规划方式。根据需要制定飞行计划，通过垂直摄影测量生产DSM、DOM、点云数据时，选择摄影测量2D方式；通过倾斜摄影测量生产三维模型时，选择摄影测量3D（井字飞行或五向飞行）方式，其中井字飞行适用于大区域、高航高、低分辨率的任务，五向飞行适用于小区域、低航高、高分辨率的任务。设置完成飞行区域、飞行高度、飞行速度、重叠度、拍摄倾角等信息后，即可完成自动起飞、自动拍摄、自动返航降落。

2.4 影像处理

Pix4Dmapper处理大疆精灵4 RTK拍摄的垂直摄影相片时，由于每张相片中记录着准确的POS数据，无需再进行控制点的人工刺点，因此基本可实现一键 生成DSM、DOM、点云数据。人工参与的部分只有坐标系设置，飞行过程中RTK获取的POS数据为BLH格式，需将BLH转换成目标坐标系的XYZ。若目标坐标系为CGCS2000，则无需手动转换，其转换参数对应的EPSG编号为4548，Pix4Dmapper可查找EPSG的参数并直接转换，实现一键生成；若目标坐标系为1980西安坐标系或地方坐标系，则需先手动将每张相片的BLH转换为目标坐标系的XYZ，再进行后续的影像处理。此外，首次使用某架无人机时，需通过读取任意一张相片的参数信息，计算得到相机出厂时的中心点、焦距、径向畸变、切向畸变等相机参数，并保存到常用相机型号库中，以后可直接调用。然而，这个相机参数并不是严格准确的，是为影像处理提供的初始计算参数，在Pix4Dmapper计算过程中，相机参数会迭代计算出最终准确的数值，并在质量报告中呈现。最后，根据需求选择合适的处理选项模板，Pix4Dmapper会自动完成空三加密，生成DSM、DOM、点云数据。

Context Capture进行三维重建主要分为空三加密解算和模型重建两步。在处理大疆精灵4 RTK拍摄的倾斜摄影相片时，需要手动处理的部分与Pix4Dmapper类似，也是坐标系的设置。在得到空三加密解算成果后，若有明显倾斜的相片，则需手动删除，再进行后续的模型重建。需要注意的是，Context Capture提供了多种数据格式的三维模型输出，可根据后续处理软件选择合适的输出格式，如后续操作是清华山维EPS软件立体测图，则需输出OSGB格式的三维模型。

2.5 DLG制作

城市基础测绘工作中占比最大的就是地形图测绘，清华山维EPS可通过立体测图的方式完成DLG的制作，但其操作命令与常用的CAD有很大的不同，若使用清华山维EPS完成所有要素的绘制，则需内业人员经过一段时间的培训与实践。针对这种情况，可先将DOM插入到CAD中，在CAD上完成道路、植被、水系、地貌土质等平面要素的绘制，因为这些要素在平面上一点的高度差很小无需立体测图；再使用清华山维EPS完成建筑物部分的绘制。

对建筑物进行立体测图时，将Pix4Dmapper处理得到的DOM和Context Capture处理得到的三维模型加载到清华山维EPS中，实现二三维的联动，如图2所示。在三维模型中采用五点法绘制建筑物，首先在建筑物的某面上任选两点确定建筑物一侧的方向边，然后在其余各面上任选一点，确定其他面的方向边，从而完成整幢建筑物的绘制。选点时应尽量选取清晰度高、平整度高的位置。右侧窗口每幢建筑物轮廓线绘制完成后将实时显示到左侧窗口中，实现边绘制边检查。

图2 清华山维EPS立体测图界面

3 工程实例

本文方法已应用于天津市西青区中北镇某工业园区的地形图测绘工程中，疫情期间园区内多处工厂处于停工停产状态，大门紧闭，无法进入，传统测绘方法很难完成此次测绘任务。

整个测区地势平缓，东西长约为400 m，南北长约为600 m，近似矩形，面积约为0.25 km2。测区内最高建筑为一个通信塔，高度约为50 m，因此选取测区中间道路一空旷处作为无人机的起落地点。根据测区情况和测量任务，对飞行任务进行合理规划：垂直摄影测量时，设置航向重叠度为80%、旁向重叠度为70%、航高为100 m；倾斜摄影测量时，由于测绘成果无需精细三维模型，只需利用三维模型进行立体测图，因此采用井字飞行生成低分辨率三维模型即可，设置摄影倾角为-60 ，其他参数与垂直摄影一致。飞行时间为60 min，共获得垂直相片389张、倾斜相片692张。

输出坐标系为CGCS2000，Pix4Dmapper和Context Capture全部选择默认参数，一键生成。生成的DOM、DSM如图3所示。

图3 DOM和DSM的制作效果

首先将DOM插入CAD中，在CAD上完成道路、植被、车位等要素的绘制；再将DOM和三维模型导入清华山维EPS中，完成建筑物的绘制；最后对树木、雨棚、架空通道等遮蔽区域进行补测，同时检查修正测量成果，得到最终完整的地形图数据。

为了检测本文方法的成图精度，采用全站仪在测区内5个不同位置进行碎步测量，每个位置测量20个检查点，用于统计无人机相片绘制的地形图精度，结果如表1所示（由于篇幅限制，只列出其中1组对比数据）。其中，1～10为房屋角点，平面点位中误差为 6.41 cm；11～20为道路、管井等平面地物，平面点位中误差为 8.74 cm，可以看出，通过立体测图方式绘制的房屋精度优于通过DOM直接绘制的平面要素精度，这是由于作业人员在影像判读时引入了人工误差，而立体测图能很好地规避这一问题。全部5组对比数据的平面点位中误差为 6.86 cm，符合 CJJ/T 8-2011《城市测量规范》对1∶500地形图的精度要求。

表1 精度评定表/m

在效率方面，本文方法完成整个测区的外业飞行时间约为1 h，内业人工处理的时间约为3 h，外业到内业全部由单人完成；而采用传统测绘方法，3人测绘小组外业测量6 h、内业1.5 h，完成了约全部测区的1/2，可以看出，与传统测绘方法相比，本文方法在人力成本缩减了2/3的前提下，外业时间仅为传统方法的1/12，内业时间两种方法基本持平。

4 结 语

本文提出了一种基于大疆精灵4 RTK的快速测绘方法。相较于传统测绘，该方法的工作重心由外业转向内业，外业时间大幅缩短，节省了大量的人力，有效避免了人与人的密切接触，免像控点布设，单人即可完成全部外业工作，且无需进入测区内部，在疫情形势严峻的情况下，不受各种隔离管控措施的约束。在实际案例的应用中，可满足1∶500地形图的精度要求，已在城市基础测绘中得到有效应用。