天狼星無人機免像控技術在河道整治中的應用

針對河道帶狀複雜的地形條件及高精準的測量要求，提出採用天狼星無人機航空測圖系統進行地形圖測繪的方法，並針對該方法，用實例進行了驗證，驗證結果表明而天狼星無人機航測系統通過其內置100Hz實時動態差分RTK技術和高精度慣性導航IMU系統，很好的解決了照片匹配等問題，在不需要布設像控點情況下獲取高精度的影像數據，大大提高了航測效率。同時河道整治過程中所遇到土方量計算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀的呈現，為後續河道綜合整治工作提供了精準地數據支持。

引言：

「綠水青山」是我國長期以來一貫堅持的環境保護政策，河流不僅改善著環境，也為人類的生產生活提供著重要的物質資源。隨著人們環境意識的提高，河道綜合治理工程也越來越被人們所重視。目前常規的測量技術難以高效全面的獲取河道及周邊流域的地形情況，為河道整治工作的後續開展帶來困難。本文提出的「拓普康天狼星(Sirius PRO)無人機測圖系統」，以其機動靈活、低成本的特點，可以快速、高效、準確的獲取高精度、高解析度的多元數據，並通過後處理軟體快速完成大比例尺地形圖的製作。高精度數字正射影像圖(DOM,Digital Orthophoto Map)和數字表面模型(DSM,Digital Surface Model)數據的疊加,在河道整治項目中更加方便、快捷、直觀的判別河道地形地貌情況，同時天狼星測圖系統獨具的免像控技術，大大的減少了外業作業時間，更加快速的保障了河道整治前期工作的開展。本文以甘肅省定西市河道整治項目為例，對天狼星免像控技術在河道整治中的應用進行探討。

1拓普康天狼星無人機測圖系統

1.1系統簡介

拓普康天狼星(Sirius PRO)無人機測圖系統是美國拓普康定位系統公司研製的高精度無人機測圖系統，該系統主要包含：無人機飛行平台、數據通訊平台和數據後處理系統。

Sirius PRO無人機測圖系統機身採用超輕泡沫材料，平台主要性能參數見表1.1。

表1.1 Sirius PRO無人機測圖平台主要性能參數

1.2航測作業流程

通過對天狼星無人機測圖系統在測繪領域應用總結，本文提出了更加標準的作業流程。

在下達任務後，首先要進行項目技術設計，對整個項目流程方案進行規劃設計，確保任務順利實施。為保障天狼星無人機外業航飛的順利進行，需要對項目規劃區域進行實地踏勘，起降場地的適合選擇也是確保飛行安全的重要因素。同時在測區內進行基準站點和檢核點的布設及採集，基準站點是保證無人機飛行平台GPS/RTK基準站的布設，檢核點是保證影像數據成果檢核時提供對比。在完成上述準備工作後，開始進行航線規劃設計，天狼星無人機採用自主研發的Mavinci Desktop飛行計劃軟體對測量區域進行航線設計。將規劃好的航線發送到無人機，無人機將按照規劃航線進行作業飛行，航飛任務結束後無人機自動將航拍POS數據傳回計算機，並與影像照片進行匹配，導入到PhotoScan Pro軟體處理生成DOM、DSM和點雲數據。為確保成果影像的精度，通過採集影像數據檢核點位置坐標與檢核點實測坐標進行比較，來進行產品質量控制，確保上交的影像數據符合設計精度。無人機測圖系統測量工作流程如圖1.1所示。

圖1.1無人機測圖工作流程圖

2 項目應用

2.1測區概況

本次河道整治項目位於甘肅省定西市，通渭縣屬隴中黃土高原丘陵壑區，多黃土梁、峁和河谷階地。地勢西北高，東南低，海拔1600米～2200米。本次項目河道由牛骨河、西河和黃龍河三條河道構成，其中牛骨河河道為自西向東穿過通渭縣城區，西河和黃龍河都匯入牛骨河，位於E105°06′12″- E105°23′09″，N30°08′19″- N 30°15′38″範圍內，整個河道項目全長約52km，河道兩側多為溝壑地帶，河堤處有耕地。

2.2航線規劃與參數設定

根據河道走向及周邊地形的起伏變化，為保障獲取高精度的影像數據，確保無人機進行安全作業。本次無人機航線設計中，採用自適應地形變化模塊。自適應地形飛行是在Mavinci Desktop飛行控制軟體中設置固定飛行高度後，飛機隨著地形起伏變化而自動改變飛行高度。固定航高飛行保障飛機拍攝影像過程中照片重疊度，既避免遇到地形凸起時照片重疊度過小，無法滿足影像重疊規範要求，又避免在地形低洼處照片重疊度過大，造成飛行浪費。自適應地形飛行可以很好的避免在地形起伏較大的區域撞擊到山體等障礙物。如圖2.1所示，本次項目飛行航線飛行圖。

圖2.1自適應地形航線飛行模式

根據河道長度及走勢情況，本次項目共設計12條帶狀航線如圖2.2所示，帶寬200m，地面採樣距離(GSD)7cm，飛行高度272m，航向重疊75%- 85%，旁向重疊65%。

圖2.2航帶規劃圖

2.3數據處理

基於天狼星無人機航測系統獲取影像的特點，利用Agisoft Photoscan Professional後處理軟體，首先將照片影像和高精度POS(Position orientation system)數據導入，基於SIFT(Scale Invariant Feature Transform)演算法對照片特徵點進行匹配，再根據高精度POS數據對照片對齊，全自動生成密集點雲、網格、紋理等，最終得到點雲數據(如圖2.3所示)、DEM(如圖2.4所示)和DOM(如圖2.5所示)等數字化產品。

圖2.3點雲數據

圖2.4 DEM影像圖

圖2.5DOM影像圖

利用Photoscan處理的數字化成果，進行數字線劃地圖(DLG, Digital Line Graphic)的繪製，本項目採用清華山維EPS軟體和Virtual Surveyor虛擬測圖軟體，可以根據DEM和DOM影像數據生成三維實景模型，告別傳統立體測圖生成流程，直接在三維實景模型下進行數據採集。截取部分DLG成果，如圖2.6所示。

圖2.6 1:2000 DLG成果圖

3 精度檢核

為保證數據的精度要求，採集測區內28個檢核點坐標，檢核點布設如圖3.1所示，依次編號為m1-m28;在測區中外業採集的28個點中，這些點主要位於道路等空曠平坦的地表。測區所設置檢核點的實測坐標和圖上坐標的這兩組坐標的平面的差值就是平面差值。再根據點位中誤差公式計算出每個點的平面中誤差。高程精度就是通過外業實測獲得的高程檢核點坐標值和Dem上相對應的檢查點上量測的高程值之差。並對誤差進行分析，看能否滿足1:2000大比例尺DOM和DEM精度規範要求。根據要求當檢核點數量少於20個時，誤差的算術平均值代替中誤差，當數量大於或等於20時，按中誤差進行統計。本項目檢核點精度如表3.1所示，分別統計X、Y和H方向的中誤差。

圖3.1影像檢核點

表3.1檢核點實測坐標與圖上坐標差

註：△為實測坐標減去圖上坐標。

根據表3.1各點坐標較差,計算出各點X、Y和H的中誤差分別為0.070m、0.067m和0.136m。可以得出本次項目檢核點平面位置中誤差為0.097m，高程中誤差為0.136m，符合1:2000的成圖要求。

4 結論

本文通過對天狼星無人機測圖系統在河道整治項目的應用分析，充分驗證了無人機航測系統正逐步發生著變革，傳統航測技術對像控點布設，繪圖人員的技術水平都有較高的要求，在一定程度上都大大降低了航測效率，增加了額外成本。而天狼星無人機航測系統通過其內置100Hz實時動態差分RTK技術和高精度慣性導航IMU系統，很好的解決了照片匹配等問題，在不需要布設像控點情況下獲取高精度的影像數據。同時河道整治過程中所遇到土方量計算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀的呈現。隨著數字化大數據的邁進，天狼星無人機測圖系統將會以其獨具特色的優勢引領航測領域的發展。

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作者簡介：劉建良(1992-)，男，助理工程師，主要從事無人機航測數據採集與處理分析。

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