針對河道帶狀復雜的地形條件及高精準的測量要求，提出采用天狼星無人機航空測圖系統(tǒng)進行地形圖測繪的方法，并針對該方法，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(tǒng)通過其內(nèi)置100Hz實時動態(tài)差分RTK技術和高精度慣性導航IMU系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，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(xiàn)，為后續(xù)河道綜合整治工作提供了精準地數(shù)據(jù)支持。

　　引言：

　　“綠水青山”是我國長期以來一貫堅持的環(huán)境保護政策，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)無人機測圖系統(tǒng)”，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(tǒng)獨具的免像控技術，大大的減少了外業(yè)作業(yè)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(tǒng)

　　1.1系統(tǒng)簡介

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

　　Sirius PRO無人機測圖系統(tǒng)機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測圖系統(tǒng)在測繪領域應用總結，本文提出了更加標準的作業(yè)流程。

　　在下達任務后，首先要進行項目技術設計，對整個項目流程方案進行規(guī)劃設計，確保任務順利實施。為保障天狼星無人機外業(yè)航飛的順利進行，需要對項目規(guī)劃區(qū)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(qū)內(nèi)進行基準站點和檢核點的布設及采集，基準站點是保證無人機飛行平臺GPS/RTK基準站的布設，檢核點是保證影像數(shù)據(jù)成果檢核時提供對比。在完成上述準備工作后，開始進行航線規(guī)劃設計，天狼星無人機采用自主研發(fā)的Mavinci Desktop飛行計劃軟件對測量區(qū)域進行航線設計。將規(guī)劃好的航線發(fā)送到無人機，無人機將按照規(guī)劃航線進行作業(yè)飛行，航飛任務結束后無人機自動將航拍POS數(shù)據(jù)傳回計算機，并與影像照片進行匹配，導入到PhotoScan Pro軟件處理生成DOM、DSM和點云數(shù)據(jù)。為確保成果影像的精度，通過采集影像數(shù)據(jù)檢核點位置坐標與檢核點實測坐標進行比較，來進行產(chǎn)品質(zhì)量控制，確保上交的影像數(shù)據(jù)符合設計精度。無人機測圖系統(tǒng)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(qū)概況

　　本次河道整治項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(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(guī)劃與參數(shù)設定

　　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)，確保無人機進行安全作業(yè)。本次無人機航線設計中，采用自適應地形變化模塊。自適應地形飛行是在Mavinci Desktop飛行控制軟件中設置固定飛行高度后，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(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。自適應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，本次項目飛行航線飛行圖。

　　圖2.1自適應地形航線飛行模式

　　根據(jù)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

　　基于天狼星無人機航測系統(tǒng)獲取影像的特點，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)導入，基于SIFT(Scale Invariant Feature Transform)算法對照片特征點進行匹配，再根據(jù)高精度POS數(shù)據(jù)對照片對齊，全自動生成密集點云、網(wǎng)格、紋理等，最終得到點云數(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，進行數(shù)字線劃地圖(DLG, Digital Line Graphic)的繪制，本項目采用清華山維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)生成三維實景模型，告別傳統(tǒng)立體測圖生成流程，直接在三維實景模型下進行數(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個檢核點坐標，檢核點布設如圖3.1所示，依次編號為m1-m28;在測區(qū)中外業(yè)采集的28個點中，這些點主要位于道路等空曠平坦的地表。測區(qū)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(jù)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(yè)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。并對誤差進行分析，看能否滿足1:2000大比例尺DOM和DEM精度規(guī)范要求。根據(jù)要求當檢核點數(shù)量少于20個時，誤差的算術平均值代替中誤差，當數(shù)量大于或等于20時，按中誤差進行統(tǒng)計。本項目檢核點精度如表3.1所示，分別統(tǒng)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

　　注：△為實測坐標減去圖上坐標。

　　根據(jù)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?？梢缘贸霰敬雾椖繖z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(tǒng)在河道整治項目的應用分析，充分驗證了無人機航測系統(tǒng)正逐步發(fā)生著變革，傳統(tǒng)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(tǒng)通過其內(nèi)置100Hz實時動態(tài)差分RTK技術和高精度慣性導航IMU系統(tǒng)，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(shù)據(jù)。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(xiàn)。隨著數(shù)字化大數(shù)據(jù)的邁進，天狼星無人機測圖系統(tǒng)將會以其獨具特色的優(yōu)勢引領航測領域的發(fā)展。

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

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