針對河道帶狀復(fù)雜的地形條件及高精準(zhǔn)的測量要求，提出采用天狼星無人機(jī)航空測圖系統(tǒng)進(jìn)行地形圖測繪的方法，并針對該方法，用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明而天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)通過其內(nèi)置100Hz實(shí)時(shí)動態(tài)差分RTK技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航IMU系統(tǒng)，很好的解決了照片匹配等問題，在不需要布設(shè)像控點(diǎn)情況下獲取高精度的影像數(shù)據(jù)，大大提高了航測效率。同時(shí)河道整治過程中所遇到土方量計(jì)算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀的呈現(xiàn)，為后續(xù)河道綜合整治工作提供了精準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)支持。

　　引言：

　　“綠水青山”是我國長期以來一貫堅(jiān)持的環(huán)境保護(hù)政策，河流不僅改善著環(huán)境，也為人類的生產(chǎn)生活提供著重要的物質(zhì)資源。隨著人們環(huán)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(guī)的測量技術(shù)難以高效全面的獲取河道及周邊流域的地形情況，為河道整治工作的后續(xù)開展帶來困難。本文提出的“拓普康天狼星(Sirius PRO)無人機(jī)測圖系統(tǒng)”，以其機(jī)動靈活、低成本的特點(diǎn)，可以快速、高效、準(zhǔn)確的獲取高精度、高分辨率的多元數(shù)據(jù)，并通過后處理軟件快速完成大比例尺地形圖的制作。高精度數(shù)字正射影像圖(DOM,Digital Orthophoto Map)和數(shù)字表面模型(DSM,Digital Surface Model)數(shù)據(jù)的疊加,在河道整治項(xiàng)目中更加方便、快捷、直觀的判別河道地形地貌情況，同時(shí)天狼星測圖系統(tǒng)獨(dú)具的免像控技術(shù)，大大的減少了外業(yè)作業(yè)時(shí)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(xiàng)目為例，對天狼星免像控技術(shù)在河道整治中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

　　1拓普康天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)

　　1.1系統(tǒng)簡介

　　拓普康天狼星(Sirius PRO)無人機(jī)測圖系統(tǒng)是美國拓普康定位系統(tǒng)公司研制的高精度無人機(jī)測圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含：無人機(jī)飛行平臺、數(shù)據(jù)通訊平臺和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。

　　Sirius PRO無人機(jī)測圖系統(tǒng)機(jī)身采用超輕泡沫材料，平臺主要性能參數(shù)見表1.1。

　　表1.1 Sirius PRO無人機(jī)測圖平臺主要性能參數(shù)

　　1.2航測作業(yè)流程

　　通過對天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)在測繪領(lǐng)域應(yīng)用總結(jié)，本文提出了更加標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程。

　　在下達(dá)任務(wù)后，首先要進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)，對整個項(xiàng)目流程方案進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保任務(wù)順利實(shí)施。為保障天狼星無人機(jī)外業(yè)航飛的順利進(jìn)行，需要對項(xiàng)目規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行實(shí)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(shí)在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行基準(zhǔn)站點(diǎn)和檢核點(diǎn)的布設(shè)及采集，基準(zhǔn)站點(diǎn)是保證無人機(jī)飛行平臺GPS/RTK基準(zhǔn)站的布設(shè)，檢核點(diǎn)是保證影像數(shù)據(jù)成果檢核時(shí)提供對比。在完成上述準(zhǔn)備工作后，開始進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，天狼星無人機(jī)采用自主研發(fā)的Mavinci Desktop飛行計(jì)劃軟件對測量區(qū)域進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。將規(guī)劃好的航線發(fā)送到無人機(jī)，無人機(jī)將按照規(guī)劃航線進(jìn)行作業(yè)飛行，航飛任務(wù)結(jié)束后無人機(jī)自動將航拍POS數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)，并與影像照片進(jìn)行匹配，導(dǎo)入到PhotoScan Pro軟件處理生成DOM、DSM和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為確保成果影像的精度，通過采集影像數(shù)據(jù)檢核點(diǎn)位置坐標(biāo)與檢核點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比較，來進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，確保上交的影像數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)精度。無人機(jī)測圖系統(tǒng)測量工作流程如圖1.1所示。

　　圖1.1 無人機(jī)測圖工作流程圖

　　2 項(xiàng)目應(yīng)用

　　2.1測區(qū)概況

　　本次河道整治項(xiàng)目位于甘肅省定西市，通渭縣屬隴中黃土高原丘陵壑區(qū)，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(xiàng)目河道由牛骨河、西河和黃龍河三條河道構(gòu)成，其中牛骨河河道為自西向東穿過通渭縣城區(qū)，西河和黃龍河都匯入牛骨河，位于E105°06′12″- E105°23′09″，N30°08′19″- N 30°15′38″范圍內(nèi)，整個河道項(xiàng)目全長約52km，河道兩側(cè)多為溝壑地帶，河堤處有耕地。

　　2.2 航線規(guī)劃與參數(shù)設(shè)定

　　根據(jù)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(shù)據(jù)，確保無人機(jī)進(jìn)行安全作業(yè)。本次無人機(jī)航線設(shè)計(jì)中，采用自適應(yīng)地形變化模塊。自適應(yīng)地形飛行是在Mavinci Desktop飛行控制軟件中設(shè)置固定飛行高度后，飛機(jī)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(jī)拍攝影像過程中照片重疊度，既避免遇到地形凸起時(shí)照片重疊度過小，無法滿足影像重疊規(guī)范要求，又避免在地形低洼處照片重疊度過大，造成飛行浪費(fèi)。自適應(yīng)地形飛行可以很好的避免在地形起伏較大的區(qū)域撞擊到山體等障礙物。如圖2.1所示，本次項(xiàng)目飛行航線飛行圖。

　　圖2.1自適應(yīng)地形航線飛行模式

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

　　圖2.2 航帶規(guī)劃圖

　　2.3數(shù)據(jù)處理

　　基于天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)獲取影像的特點(diǎn)，利用Agisoft Photoscan Professional后處理軟件，首先將照片影像和高精度POS(Position orientation system)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，基于SIFT(Scale Invariant Feature Transform)算法對照片特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，再根據(jù)高精度POS數(shù)據(jù)對照片對齊，全自動生成密集點(diǎn)云、網(wǎng)格、紋理等，最終得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖2.3所示)、DEM(如圖2.4所示)和DOM(如圖2.5所示)等數(shù)字化產(chǎn)品。

　　圖2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)

　　圖2.4 DEM影像圖

　　圖2.5DOM影像圖

　　利用Photoscan處理的數(shù)字化成果，進(jìn)行數(shù)字線劃地圖(DLG, Digital Line Graphic)的繪制，本項(xiàng)目采用清華山維EPS軟件和Virtual Surveyor虛擬測圖軟件，可以根據(jù)DEM和DOM影像數(shù)據(jù)生成三維實(shí)景模型，告別傳統(tǒng)立體測圖生成流程，直接在三維實(shí)景模型下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。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(shù)據(jù)的精度要求，采集測區(qū)內(nèi)28個檢核點(diǎn)坐標(biāo)，檢核點(diǎn)布設(shè)如圖3.1所示，依次編號為m1-m28;在測區(qū)中外業(yè)采集的28個點(diǎn)中，這些點(diǎn)主要位于道路等空曠平坦的地表。測區(qū)所設(shè)置檢核點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)和圖上坐標(biāo)的這兩組坐標(biāo)的平面的差值就是平面差值。再根據(jù)點(diǎn)位中誤差公式計(jì)算出每個點(diǎn)的平面中誤差。高程精度就是通過外業(yè)實(shí)測獲得的高程檢核點(diǎn)坐標(biāo)值和Dem上相對應(yīng)的檢查點(diǎn)上量測的高程值之差。并對誤差進(jìn)行分析，看能否滿足1:2000大比例尺DOM和DEM精度規(guī)范要求。根據(jù)要求當(dāng)檢核點(diǎn)數(shù)量少于20個時(shí)，誤差的算術(shù)平均值代替中誤差，當(dāng)數(shù)量大于或等于20時(shí)，按中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本項(xiàng)目檢核點(diǎn)精度如表3.1所示，分別統(tǒng)計(jì)X、Y和H方向的中誤差。

　　圖3.1影像檢核點(diǎn)

　　表3.1 檢核點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)與圖上坐標(biāo)差

　　注：△為實(shí)測坐標(biāo)減去圖上坐標(biāo)。

　　根據(jù)表3.1各點(diǎn)坐標(biāo)較差,計(jì)算出各點(diǎn)X、Y和H的中誤差分別為0.070m、0.067m和0.136m?？梢缘贸霰敬雾?xiàng)目檢核點(diǎn)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(jié)論

　　本文通過對天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)在河道整治項(xiàng)目的應(yīng)用分析，充分驗(yàn)證了無人機(jī)航測系統(tǒng)正逐步發(fā)生著變革，傳統(tǒng)航測技術(shù)對像控點(diǎn)布設(shè)，繪圖人員的技術(shù)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(jī)航測系統(tǒng)通過其內(nèi)置100Hz實(shí)時(shí)動態(tài)差分RTK技術(shù)和高精度慣性導(dǎo)航IMU系統(tǒng)，很好的解決了照片匹配等問題，在不需要布設(shè)像控點(diǎn)情況下獲取高精度的影像數(shù)據(jù)。同時(shí)河道整治過程中所遇到土方量計(jì)算、洪水分析等問題將變得更加精確直觀的呈現(xiàn)。隨著數(shù)字化大數(shù)據(jù)的邁進(jìn)，天狼星無人機(jī)測圖系統(tǒng)將會以其獨(dú)具特色的優(yōu)勢引領(lǐng)航測領(lǐng)域的發(fā)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(jī)航測數(shù)據(jù)采集與處理分析。

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