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精灵4RTK无人机1:500地形测量精度测试
  • 时间: 2019-04-17 15:07:00
  • 浏览量:336
  • 来源:吉林云信空间科技有限公司
  • 作者:无人机地形测量
[导读]: 大疆Phantom4 RTK 一经推出,就受到了广大用户的喜爱。尤其是其免像控技术的加持,让航测外业省去了布设和测量大量像控点的麻烦,大大提高了航空摄影测量外业的工作效率。同时其还提供2D、3D、航点、航带等多种航飞规划方式。
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  · 参与单位

  吉林云信空间科技有限公司(全国地理信息共创平台吉林省分部)

  吉林省金佰汇测绘有限公司

  · 参与人员

  韩旭鹏、王金鑫、周传彬、李太成、刘世杰、王继业

  · 测试时间

  2019年2月25日~2月28日

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  概述

  大疆Phantom4 RTK 一经推出,就受到了广大用户的喜爱。尤其是其免像控技术的加持,让航测外业省去了布设和测量大量像控点的麻烦,大大提高了航空摄影测量外业的工作效率。同时其还提供2D、3D、航点、航带等多种航飞规划方式。本文要讨论的应用测试,是使用Phantom 4 RTK 以3D航飞模式进行外业数据采集,对获取的影像进行处理,经过空三计算和模型重建来生产城市真实景三维模型,利用三维模型进行1:500比例尺线划图采集及精度评估。

  本项目采用布设少量像控点的方案进行工程的施测。

  1.1 测试区基本情况

  东朝阳沟位于长春市南关区幸福乡红嘴子村、G0102绕城高速以南、S26扶长高速以西位置;检验地点选择在东朝阳沟面积为0.4km2的一块区域;此试验区域整体地势较平坦,地物较多,比较典型;交通较便利。难点是测区内常年有风,施测季节最低气温-10℃,对无人机飞行有很不利影响。

  项目飞行空域不涵盖禁飞区,如图1所示(蓝色封闭填充区域为试验区):

图1 试验区范围

  测试目标要求实景三维模型成果能满足精度较严格的城市测量规范中 1:500 测图标准,即:平面中误差±0.25m,高程注记点中误差±0.15m,最大允许误差不超过 2 倍中误差。测量基准采用CGCS2000坐标系统,1985 国家高程基准。测试全程RTK 数据采集统一使用吉林省CORS 网系统作为差分源。

  1.2 测试作业的整个流程

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  测试目的

  通过实际生产,检测大疆Phantom4 RTK无人机航测成果采集的地形图精度,判定大疆Phantom 4 RTK作业能否满足生产1:500比例尺地形图的精度要求。

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  引用依据

  (1)《卫星定位城市测量技术规范》(CJJ/T73-2010);

  (2)《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011);

  (3)《国家基本比例尺地图图式第1部分:1∶500 1∶1000 1∶2000地形图图式》(GB/T 20257.1-2017)

  (4)《测绘成果质量检查与验收》GB/T24356-2009;

  (5)利用无人机低空航测大比例尺地形图测试方案

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  技术指标

  4.1 坐标基准

  (1)坐标系统:CGCS2000 坐标系统;

  (2)高程基准:1985 国家高程基准;

  (3)投影方法:高斯-克吕格投影, 3 度分带,中央子午线为 126°E。

  4.2 精度指数

  (1)线划图成图比例尺为1:500;0.5米等高距,测试区地形为:平地

  (2)成图地物点平面点位中误差为:±0.25m

  (3)成图高程注记点中误差为:±0.15m

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  测试执飞无人机情况

  参与项目航测飞行的飞行平台是Phantom 4 RTK。该无人机具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统,支持RTK/PPK 模式,支持自定义网络。

  (1)重量(含电池及桨):1391g轴距:350mm

  (2)最大上升速度:6m/s 最大下降速度:3m/s

  (3)最大水平飞行速度:58km/h 最大飞行海拔高度:6000m 最大可承受风速:10m/s

  (4)最大飞行时间:约30 分钟

  (5)悬停精度:启用RTK 且RTK 正常工作时:垂直:±0.1m;水平:±0.1m 红外障碍物感知范围:0.2- 7 m

  (6)双IMU, 双指南针冗余系统

  (7)建图精度:满足GB/T 7930-2008 1:500 地形图航空摄影测量内业规范(简称“1:500规范”)的精度要求

  (8)采集效率:单次飞行最大作业面积约1 km2(飞行高度 182 m,即 GSD 约 5 cm/pixel)

  (9)双备份GNSS 系统:多频多系统高精度RTK GNSS--采用实时差分定位技术,为飞行器提供厘米级定位

  (10)P4R相机如图2(右)。此相机影像传感器:1 英寸CMOS,有效像素2000 万镜头:FOV84°8.8 mm/24 mm(35mm 格式等效);f/2.8- f/11 带自动对焦(对焦距离1 m - 无穷远)

图2 大疆P4R飞机及云台相机

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  航空摄影的实施

  6.1 航飞外业

  6.1.1 像控点布设及测量

  根据项目基础资料和要求,参照奥维互动地图,并考虑实际布点可行性,预做像控点的布设方案。像控点的布置,我们采用打印好的x 型图案并在每张控制点上添加编号,此图案更方便内业刺点,甚至可以不参考点之记信息就能完成刺点。简单易行的像控点布置,在能保证像控点质量的前提下,可以尽可能的提高外业工作效率。在测量像控点的同时,进行点之记信息的记录。像控点的测量采用控制点测量的方式进行平滑采集。

图3 像控点设计分布图及施测

  6.1.2 外业航飞的实施

  外业航飞对后期数据处理来说,是很关键的一环。好的航线设计,是外业飞行数据高质量的关键之一。按照相关技术资料和要求,在GS-RTK 中,导入测区kml 格式范围线,进行飞行航线的规划和飞行参数的设置。

  项目航线主要设计参数如下:

  (1)地面分辨率:2.47cm

  (2)航向/旁向重叠度:80% / 80%

  (3)飞行速度:7m/s

  相对航高、航线间隔、拍照间隔等数据,软件会根据航高(或GSD)和重叠度自动给计算出来。

图4 航线规划图

  按此航线规划方案,项目无人机作业组完成了倾斜摄影测量的航摄工作。航测外业执飞无人机是Phantom 4 RTK,采用摄影测量3D 的方式飞行。

图5 外业飞行现场

  6.1.3 数据的检查与整理

  航飞数据使用自定网络,飞行过程全程FIX。对照片进行整理,检查,对控制点进行整理。

图6 航测数据原始照片

  6.2 数据处理及实景三维模型生产

  6.2.1 影像数据空三计算

  本项目采用的建模软件是Context Capture 软件,此软件自动化程度高,操作步骤较少,能支持集群运算,是业内知名的自动化三维建模软件。在软件里新建工程,添加照片和POS 数据,按默认参数提交空三计算,软件会自动完成空三计算。如果结果不合格,就在计算结果基础上修改空三计算参数并再次提交空三,直到空三合格为止。空三计算通过后,加入像控点坐标数据,并进行相片刺点,这时候软件能预计出像控点在相片上的位置了,且准确度很高,能提高刺点的速度。刺点完成后,再次提交空三计算,完成后检查空三报告质量,如果合格,就可以进行模型重建生产了。

图7 像控点三维精度水平计算结果

图 8 带像控点的空三成果 3D 视图

  6.2.2 三维模型的重建

  空三成果合格后,下一步就进入模型重建生产了;选择项目需要的坐标系,并从KML文件导入重建范围(即测区范围),设置好切块方式和瓦片大小,就可以提交模型重建生产,真正开始生产模型。ContextCapture 软件模型重建支持的数据格式很多,本项目采用OSGB 格式。OSGB数据格式通用性比较好,支持的软件也比较多。

图9 模型重建参数和瓦片分块

  模型重建生产是比较耗时间的,重建速度主要取决于计算机的整体计算速度

图10 模型成果截图

图11 模型成果局部截图

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  线划图采集

  使用北京山维科技公司的EPS 地理信息工作站三维测图模块进行数字线划图的绘制和成图。

  (1)在EPS 软件中,按照大比例尺数据模板建立工程。

  (2)先对OSGB 数据进行转换,然后加载倾斜摄影数据。

  (3)在裸眼三维视角下,按照本试验要求对线划图数据进行采集和成图,并直接生产符合数据库质量要求的数据。

图12 使用山维科技EPS软件生产DLG线划图

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  对最终线划图成果进行数学精度检测

  8.1 检测方法

  (1)平面精度检测

  利用省CORS系统(CGCS2000国家坐标系),采用GNSS接收机RTK模式直接布设图根控制点,使用全站仪采用极坐标方式测定明显地物点的坐标,通过检测坐标与成果图获取坐标的对比,检测地形图的平面精度。

  (2)高程精度检测

  利用省CORS系统(CGCS2000国家坐标系),采用GNSS接收机RTK模式直接采集高程注记点,通过检测高程与成果图注记的高程对比,检测地形图的高程精度。

  (3)精度检测计算方法

  地物点平面精度及高程精度检测后的数据采用高精度检测公式计算,如下:

  注:在允许中误差2倍以内(含2倍)的误差值均参与数学精度统计,超过允许中误差2倍的误差视为粗差。

  8.2 检测结果

  8.2.1 平面精度统计

  试验区共采集平面检测点87个,有效检测点87个,粗差1个;x方向中误差Mx=±0.04m;y方向中误差My=±0.09m;点位中误差Ms=±0.10m

  x、y误差离散情况如下:

  点位S误差离散情况如下:

  8.2.2 高程精度统计

  试验区共采集高程检测点28个,有效检测点28个,粗差个数为0;中误差Mh=±0.06m;

  高程h误差离散情况如下:

  8.3 检测结论

  经检测表明,利用大疆Phantom4 RTK采用2.47cm分辨率进行摄影测量3D后建模编辑生成1:500地形图的方法满足1:500地形图成图精度要求。

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  测试总结

  由以上检测统计数据来看,最终线划图成果精度完全达到了1:500地形图规范要求。这些数据表明,使用Phantom4 RTK无人机航测的方案,再采用合理的作业工艺流程,是完全可以满足大比例尺测图精度要求的。

  此工程项目的外业投入人员踏勘,像控点,外业飞行总计2 人1 天,内业处理共计1 人1 天,计算下来,采用Phantom 4 RTK 方案,效率是传统测绘方式的10 倍甚至更高。

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  展望

  倾斜摄影测量近年来发展迅猛,逐渐成为测量人员很好的测量技术;在保证精度的前提下还能大大的提高测绘的作业效率;降低外业测绘作业人员的劳动强度,也使外业测绘人员的人身安全有了更好的保障;传统测绘不易到达的地方也能施测到,让测绘几乎没有死角;且提供的测绘成果表现形式更容易让普通大众看得懂、理解到位,相当于把现实城市搬回了家。这些优势都是传统的人工测绘所不具备的。在实景三维模型上进行线划图的采集和建库,也是倾斜摄影测量数据成果的一个主要应用方向。

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  附表

  附表一 平面精度评定表

  附表二 高程精度评定表

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