非测绘无人机的航测精度研究及在治黄工作中的实际应用

摘要：随着黄河流域生态保护和高质量发展战略的不断推进，黄河工程管理范围内建设项目不断增多，各种历史遗留问题不断被处理，给我们的日常工作带来了更多的挑战。如何利用消费级非测绘专用无人机获取数字正射影像图，可以为我们日常工程管理范围内的项目监测、对外交涉等工作提供可靠、直观、有说服力的数据支撑。本文主要研究了目前历城局现有装备条件下能够取得的数字正射影像图的精度及正射影像的具体应用，结果表明该方法可以有效提高工作效率，减轻劳动强度。

关键词：无人机 正射影像 工程管理

1背景

近年来沿黄各地不断推进黄河流域生态保护和高质量发展战略，黄河工程管理范围内建设项目复杂程度不断加大，治理力度不断提升。随着济南北跨黄河趋势的进行，“十四五”工程的开工，工程管理范围内建设工地大量增加，各种历史遗留违规占地情况也不断被处理。在这个的过程中，找到一种获取方式高效、便捷，测量成果直观且具有说服力的基础数据是目前面临的挑战。目前无人机已经在黄河各级管理部门普及开来并得到广泛推广，各单位正紧锣密鼓地开展探索其深化应用。随着无人机航测技术的快速发展，其测绘成果广泛的应用于土地整治、地籍测量、环境监测。数字正射影像图是对航空航天相片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正摄影像，该测绘成果可在CAD中作为1：1的底图使用，具有广泛的应用前景。

然而探究消费级无人机获取正射影像精度的研究以及在治黄工作中获取数字正射影像的应用较少，尤其是非专业航测无人机的精度更是鲜有研究。本文通过利用已有RTK测绘数据为基础，探索利用大疆无人机航拍数据获取正射影像的技术方法，旨在为日常黄河管理部门提供一种全新、高效、简便易学的测量技术的理论支撑。

2探索方法

数字正射影像是对遥感影像是获取航拍影像后，对航拍范围内进行测量得到测区内数字高程模型，利用对航拍图进行几何纠正，得到数字正射影像。本文通过使用Pix4DMapper软件处理大疆无人机航拍照片获取数字正射影像图，通过对比已有数字地形图，探究数字正射影像图的几何精度以及该精度下能够应用的范围。

2.1试验区及数据

试验区为济南黄河河务局历城黄河河务局机关庭院，该区域地势平坦，范围较小，有利于正射影像的获取。所用无人机型号为大疆御2行业进阶版，不安装专业高精度RTK模块，所带相机为原装相机，该型号无人机机身轻巧，相机分辨率高，拍摄清晰。

基础数据为使用RTK对历城局机关庭院进行测量后绘制的数字地形图，可以认为其成果无误差。

2.2获取无人机遥感影像

利用大疆无人机遥控器自带的航线规划软件规划航线，框取所需测量范围。在复杂测区确定飞行高度时建议首先找到最高点确定高度，然后选择高于该高度为飞行高度。飞行高度的高矮与成像清晰度负相关，高度越高图像越模糊。试验飞行高度选择50米，框取范围见图3。航测过程中人员无需操作，若无人机电量不足会暂停拍照自动返航，更换电池后开机自动继续航测任务。

2.3数字正射影像图的生成

本文选择Pix4DMapper作为数据处理软件，该软件具有易上手，处理数据速度快精度高等特点。数字正射影像图制作流程如下：

1、导出大疆无人机拍摄的影像。

2、打开Pix4Dmapper，新建项目，点击添加图像导入无人机拍摄的照片，点击下一步。

3、由于使用无人机非专业航测使用，图片属性中地理位置等选项选择默认，点击下一步。

4、选择输出坐标系选择默认，原因同上，点击下一步。

5、处理模板选择标准选项卡中3D Maps，该选项即可生成正射影像图，勾选右下角开始处理，点击完成自动开始生成图像，结果如图4。

2.4影像检验及处理

由于非航测专用无人机无法记录足够精度的图像地理位置导致影像pos精度较低，在比对数字地形图时发现结果并不能很好的重合，见图5所示，在局办公楼西侧池塘基本重叠的情况下，局庭院南侧院外植被进入数字地形图院墙之内，说明该图有明显的误差。因此需要在测量范围内布设像控点，在处理过程中进行手动纠正。

2.4.1布设像控点

像控点是指摄影测量控制加密和测图的基础。通俗的说像控点是不同航拍照片上具有相同地理坐标位置的点，通过手动输入坐标，在不同照片选取该点位置，软件可以对影像进行有根据的进行影像纠正，提高最终成图精度。因此像控点需要在航拍之前，均匀的在测区标记出无人机可以拍摄出明显标记的地物。试验中为了维护庭院美观，故选择庭院中间步行过道标线边角及办公楼西侧水池作为像控点，布设像控点如图6所示。需要注意的是这个过程禁止使用房屋边角等高差急剧变化的地物作为像控点，因为该点虽然在航拍照片上容易选取，但是在生成数字高程模型后，使用该处作为像控点由于地形起伏较大，刺点不准会导致精度大幅降低。

2.4.2 刺点及影像纠正

在Pix4DMapper中点击项目，点击GCP/MTP管理，点击导入控制点，导入之前布设的像控点坐标，点击确定。在左侧选择手动连接点，右侧将X号移动到图片相应位置上，点击使用。将所有像控点均按上述操作重复后，点击处理-重新匹配并优化。

2.5影像质量分析及精度对比

经过纠正后的成果可见已修正之前未重叠区域，重合率极高，地物边界，路面、植被覆盖清晰可见。

将数字地形图选两个点间的距离作为真值，减去正射影像图中同名点间的距离为误差值，误差值占真值的百分比即为线误差。通过测定计算，其线误差精度情况见表1。

随机在数字地形图和正射影像上选取三个明显的同名地块，分别测量其面积。以数字地形图的面积作为真值，减去正射影像图上的面作为误差值，误差值占真值的百分比即为面误差。通过测量和计算，得到各地块的面误差情况，面1选择办公楼西侧池塘，由于夏季植被遮挡无法很好的选择边界，导致误差过大；局东南侧篮球场则不存在该情况。因此在使用航测时对于植被遮挡过于严重地区需考虑边界是否被遮挡的问题。

2.6结论

该试验区域的数据获取时间约为10分钟。主要包括无人机起飞前准备3分钟，主要划定飞行区域以及设计航线、飞行高度等工作，飞行航拍3分钟，飞后数据整理4分钟。共获得了13426平方米的数据。与传统的RTK测量对比，无人机航测的效率远超传统测量效率，并且精度十分可靠，可以满足工程管理平面精度要求。

3具体应用

在淤背区土地管理过程中，测算占地面积及边界确权划界是黄河基层日常管理中经常面对的问题。由于天地图等网络资源分辨率过低，难以精准定位，精确测算面积，说服力不足；将边界点坐标转换成经纬度对其叠加后会发现一定偏差，无法具体应用。

3.1监测工程管理范围内状况

3.1.1应用背景

历城黄河河务局管理范围内背河处环境复杂，附近包括学校、仓储、厂房等有多个单位租赁土地使用，房屋、线杆极多，若采用传统RTK进行测量，存在以下几个问题：1、由于信号遮挡等问题的存在，部分地区测量精度无法满足管理要求；2、由于疫情防控等政策的存在，与租户交涉进入租赁场地测量需要消耗过多时间，或者禁止入内测量；3、测区过大，RTK测量耗时过长。

3.1.2具体实施

首先使用自喷漆在测区布设像控点，具体布设位置及测区见图9。

由于测区树木、线杆、楼房较多，在起飞之前选择在测区最高处，即学校门卫处起飞无人机，发现测区最高处为学校教学楼，此时飞行高度43米。同时，为了在数字正射影像图上叠加边界线，需要在边界线坐标系下测量出一个坐标点作为特征点。为了保证飞行不被阻挡，飞行高度选择70米。生成过程与2.3所述相同，生成结果见图10，在添加像控点时发现图像没有明显偏移，则无需进行纠正。将边界线平移至特征点重合位置及为边界线实际位置。根据数字正射影像图地物显示，即可框选出管理中所需要的面积，无需像传统RTK测量一样进入现场，挨家挨户实地测量。

4结论

本文主要探究了大疆无人机获取数字正射影像图的精度问题，以及数字正射影像图在治黄工作中的具体应用。结果表明，利用目前条件下购买的消费级非航测专用无人机，完全可以高效地获得具有一定精度的数字正射影像图，该过程测量速度快，效率高，减少对外交涉，在敏感问题的处理上能够减少发生冲突的机会，保护自身安全；在对外交涉过程中能够提供精确、直观、有说服力的数据支撑，可以广泛的应用在边界确权、淤背区管理等方面。本研究还表明，该技术方法易学易用，具有效率高、成本低、风险小的特点。（丛葳）