无人机在尺地形图测绘工程的方法

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摘要：小型四旋翼无人机具有携带方便，安装便捷，可单人单机作业的优点，但受续航时间限制，存在单架次作业面积小、效率不高的问题。文章以某风力发电厂大比例尺地形图测绘工程项目为例，介绍利用往期高分辨率卫星影像为参考规划像控点位置，及利用已有高程数据选择小型四旋翼无人机起降点两种提高小型四旋翼无人机在大比例尺地形图测绘工程项目中整体工作效率的方法。

关键词：无人机；测绘工程；大比例尺

在大比例尺地形图测绘工程项目中，无人机航测已成为一种被广泛使用的测绘技术，具有成本低、效率高、响应时间短等特点。随着无人机技术的不断发展，小型四旋翼无人机集成化程度越来越高，已经可以完成以往只有大型固定翼无人机才能完成的航测工作。从不同的工作环节，使用不同的方法，制定合理的适用于小型四旋翼无人机的作业方案，使其工作效率最大化，是行业工作者需要长期总结的问题。

1研究提高小型四旋翼无人机在大比例尺地形图测绘工程项目中整体工作效率的目的

随着无人机航测技术的普及，无人机在大比例尺地形图测绘工程中的应用范围越来越广泛[1]。无人机航测技术，具有时效性强，成本低等特点，已被广泛应用于公路铁路建设规划、矿山综治规划、河流水库综治规划、城市建设规划等各个方面。小型四旋翼无人机因体积小、智能化程度高，使用门槛低，逐渐受到广大业内人士的青睐。但受自身体积所限，小型四旋翼无人机的作业效率，始终无法和大型固定翼无人机比较。在实际的项目实施过程中，使用小型四旋翼无人机作业，则必须想方设法提高其作业效率，才能对项目整体进行合理的成本管控。提高小型四旋翼无人机的作业效率，不仅仅只是提高无人机在飞行任务上的效率，而是一个宏观统筹的过程。在项目外业工作启动前，应对项目整体流程进行分解，按照不同的环节，在不同的工作节点上找到有利于提升该节点工作效率的方法，首先实现某个工作节点的工作效率的提升。当所有的工作节点都找到了行之有效的可以提升工作效率的方法之后，制定合理的项目整体工作计划，分步实施，从而实现对项目整体工作效率的提升。本文提出的利用往期高分辨率卫星影像为参考规划像控点位置的方法，用于大比例尺地形图测绘工程项目中的像控布设环节。像控布设是满足大比例尺地形图测绘成果的基础性的、不可缺少的过程。在实际的外业工作中，作业人员因地形复杂，道路崎岖，经常需要在没有外力协助的情况下，以步行的方式携带设备，远距离的前往规划点布设像控点，不仅时间长、体力消耗大，而且极大地降低了项目整体的工作效率。故此，在可以满足项目成果精度的前提下，合理的对像控点位置进行微调，不仅能保证项目的成果精度，而且能减少时间成本，提高工作效率。例如，在没有可供人员车辆迅速到达的需要布设像控点区域，如附近存在距离此像控点位置较近的道路，或附近有固定的地物，如房屋、桥梁等包含以上两种但不限于以上两种的固定地物，则可将像控点位置进行微调，重新设置位置。如此一来，不仅减轻了作业人员的工作负担，而且大幅提高了项目整体的工作效率。本文提出的另一种利用已有高程数据选择小型四旋翼无人机起降点的方法，同样是以提升单节点工作环节的工作效率，来提升项目整体工作效率的一种方法。无人机外业飞行，是一项需要对天气状况、地形地貌、航线规划等方面综合分析的工作。小型四旋翼无人机受续航能力限制，单架次作业时间短，合理的选择起降点，不仅能减少小型四旋翼无人机因起降点距离航线起点过远导致的动力输出浪费，而且可以减少无效飞行架次，通过多频次的效率累加，减少或达到与大型固定翼无人机在工作效率上的差距。以作者所使用的大疆精灵4RTK小型四旋翼无人机为例，单架次作业面积约为0.8平方公里，在合理规划起飞点的情况下，采用多机并行飞行的模式，使用3组电池便可以完成2.6平方公里的飞行任务，但如对起降点规划的不合理，无人机在前往航线起点的距离过长，或起降点距离航线末端航点的距离过远，不但飞行架次数有所增加，且小型四旋翼无人机与地面站之间的数据通信也会受到影响，信号一旦中断，小型四旋翼无人机将会启动应急机制，进入失控返航模式，在这种情况下，只能在无人机降落后，重新上传航线起飞执行飞行任务，既浪费了时间，又消耗了无人机动力电池的储备数量，直接导致飞行效率下降，从而影响项目的整体工作效率。由此可见，研究提高小型四旋翼无人机在大比例尺地形图测绘工程中整体工作效率的目的，是为了保证以较低的项目成本，迅速完成项目，提升项目各个节点的工作效率，是一项非常重要的基础性工作。

2两种提高小型四旋翼无人机在大比例尺地形图测绘项目中整体工作效率的方法

2.1利用往期高分辨率卫星影像为参考规划像控点位置的方法

在大比例尺地形图测绘工程项目[2]中，为满足航测精度需要，往往需要布设像控点。利用往期高分辨率卫星影像为参考规划像控点位置，如使用奥维地图等软件，非常直观。首先根据项目精度要求，按照像控点布设规范，以KML范围为边界，在奥维地图等软件提供的往期卫星影像上，根据测区地形布设像控点。在布设像控点时，应考虑该像控点的布设位置，是否有固定的地物、便于到达的道路，是否有影响像控点布设的不利地貌，如池塘、林地等。同时，根据测区往期的卫星影像，合理地对按照规范布设的像控点位置进行调整，确保像控点既可以满足项目精度需要，又可以迅速到达。

2.2利用已有高程数据选择

小型四旋翼无人机起降点的方法在大比例尺地形图测绘项目的外业数据采集过程中，为满足项目精度需要，需要以较低的航高飞行。如选用小型四旋翼无人机作业，由于其存在单架次作业面积小、航时短的问题，往往需要将测区分割成面积差不多的若干个区域，分区飞行。为保证分区飞行的作业效率，需要十分合理地规划小型四旋翼无人机起降点。利用已有高程数据叠加测区卫星影像数据，在海拔高的区域，选择可以使小型四旋翼无人机快速进入航线、且车辆人员易于到达的位置作为小型四旋翼无人机的起降点，不但可以保证小型四旋翼无人机飞控合理的分配动力执行航线任务，而且可以保证数传、图传信号的稳定，避免因数传、图传信号质量差而导致作业任务中断所造成的工作效率下降。

3项目案例及成果分析

3.1项目概况

某风力发电厂1：1000地形图测绘项目，工作区面积约20平方公里，地形为山区地貌，平均风力4-5级。本项目主要任务是获取工作区数字化地形图（DLG-Digi－talLineGraphic）、正射影像图（DOM-DigitalOr－thophotoMap），为某风力发电厂提供基础地形地貌数据。项目成果采用CGCS2000坐标系高斯克吕格投影，高程采用1985国家高程基准，为满足地形图精度需要，需要布设像控点若干。

3.2航线设计

本项目采用小型四旋翼无人机大疆精灵4RTK作业，为保证作业效率，首先将测区分割为9个面积基本一致的作业区块，采用分区块作业的模式进行。同时，为保证数据采集精度及航片数据质量，设置航高300米，旁向重叠度80%，航线重叠度80%，飞行速度13米/秒。飞行航线由大疆精灵4RTK无人机地面站软件依据测区KML范围自动生成。

3.3起飞点规划

测区分为9个面积基本相等的作业区块，每个作业区块面积约为2.5平方公里，在满足1：1000成图精度的前提下，按照大疆精灵4RTK无人机单架次约0.9平方公里的作业面积，完成每个作业区块理论上只需要3个飞行架次即可。但因测区属山区地貌，高差较大，如选择的起降点位置不合理，实际飞行架次数量必将远大于理论飞行架次数量。根据利用已有高程数据选择小型四旋翼无人机起降点的方法，在每个作业区块海拔较高的区域，筛选出基本上位于该作业区块中心、且人员车辆便于到达的位置作为起降点，不但保证了无人机通信系统的信号传输稳定，而且保证了无人机动力电池在航线飞行中的合理使用，同时避免了频繁更换起飞场地。依据此方法，在规划的9块作业区块中，共预设起降点13个，其中5个作业区块仅需一个起降点，即可完成本区域的飞行作业，大大提高了飞行作业的效率。如图1所示，根据测区已有高程数据，以等高线数值最高的区域为筛选基础，预设规划起降点。图钉标志为预设的起降点，共预设规划起降点13个（如图2所示）。

3.4像控点布设

本项目采用以往期高分辨率卫星影像为参考规划像控点位置的方法，共布设像控点12个。根据往期卫星影像提供的参考，将部分人员、车辆不易到达的像控点位置进行了重新规划，在保证项目整体精度的前提下，减小了布设像控点的成本，提升了工作效率。某原始像控点位置位于测区西南部道路不可到达区域，且无固化路面及固定地物，如不重新规划此像控点位置，布设此像控点需要作业人员步行前往，且需要以铺撒石灰或铺设像控标志相纸的方式布点，携带工具多、步行时间长，大大增加了时间成本；将像控点位置重新规划后，从影像判断，新的像控点位置位于水泥硬化道路，不仅车辆可以迅速到达，还可以以喷涂油漆的方式布设L型像控标志，具有易于到达、布设成本低、便于操作、不易损毁的特点。本项目像控点地标采用长度1米、宽度0.3米的L型红色喷漆或白色石灰铺设（如图3所示），采用RTK测量方式采集L型标志外角，测区内共布设像控点12个。

3.5无人机飞行

在测区天气符合飞行作业要求的情况下（天气晴朗、风力3-4级），作业人员按照预先规划的起降点进行无人机飞行作业。无人机航摄成像时间为每日上午10：00至每日下午15：00，共进行了39个架次的无人机飞行，其中有效架次36次，共计拍摄航片2668张。无人机飞行速度13米/秒，飞行姿态稳定。

3.6数据处理

本项目内业数据处理，在外业相控的基础上，采用GPS辅助空三技术，利用PIX4D软件进行空三加密，在此基础上生成密集的DSM（数字表面模型）点，通过处理DSM点获取数字高程模型（DEM）数据。然后利用DEM对影像进行正射纠正及镶嵌，生成数字正射影像（DOM）。最后导入空三加密成果，通过采用航天远景和cass10.0软件，绘制等高线，采集地物信题常见，设备维护人员一定要具有专业经验，在设备故障排查中，应该结合实践依据及先进的技术手段，对各项问题进行实践、验证。第四，通过对机械设备使用情况及结合行业的发展变化，引入先进的科学技术手段。设备维护人员在设备自动化、安全性控制中，要强调机械设备自动化的使用及融合，提高设备使用的质量[8]。息，进行矢量数据的编辑和整饰，最终形成数字线划图（DLG）成果。

3.7精度分析

通过后期对航飞数据进行数字空三加密可以看出，本项目空三加密的各项精度[3]均满足规范及设计书的要求，可提高本项目下道工序使用（空三精度报告如表1所示）。

4结束语

无人机航测技术在大比例尺地形图测绘工程项目中的运用十分广泛，根据不同项目的地形地貌，合理地规划像控点的位置、选择合适的起降地点，不仅可以减少外业工作量，也可为提高项目各个环节工作效率奠定基础。按照拆分环节、分段把控、整体提升的方针来不断总结提高小型四旋翼无人机在大比例尺地形图测绘工程中整体工作效率的方法，是一种客观的、符合项目实际工作流程的思路。本文提出的两种提高小型四旋翼无人机在大比例尺地形图测绘项目中工作效率的方法，简单实用，仅以此两种方法作为探讨，希望给相关工作者一些参考。

参考文献：

[1]姜丽丽，高天虹，白敏.无人机影像处理技术在大比例尺基础测绘工程中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2013，36（7）：174-176.

[2]刘丰.无人机大比例尺地形图测量技术研究[J].科技资讯，2014（36）：30-31.

[3]陈文慧.大比例尺无人机航片成图精度研究[J].测绘与空间地理信息，2019，42（3）：206-207+211

作者：黄斌 胡智峰 翟佳辉 单位：西安煤航遥感信息有限公司