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探讨农村管网测绘项目与无人机、CORS技术有机融合
摘要：针对农村供水管网测绘项目中由于房屋建筑多、通视条件差导致的测试难度大、作业效率低的问题，给出了一种“无人机+CORS”组合测绘技术。实践结果表明，该组合技术不仅作业效率高、精度高、信息丰富，而且对于缩短外业测绘周期、提高测绘服务质量、优化管网设计也将起到积极的促进作用。
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在城市街区、村庄等建(构)筑物较多的区域进行全站仪、水准仪等传统测量作业时，往往由于通视条件较差、盲区较多而导致作业效率低下，难以满足时间紧、工作量大的工程项目。随着无人机航测、CORS等对通视条件要求较低技术的出现，这种局面得到了极大的改观。如若对上述技术进行优化组合使用，则不仅能够充分发挥无人机航测可快速获取目标区域高精度DOM、DLG的优势，也能够充分发挥CORS技术快速获取高精度平面坐标、高程数值的优势，实现不同技术之间的优势互补[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。基于此，本文结合某农村村内供水管网测绘项目进行了有益的尝试，取得了良好的效果。
1、“无人机+CORS”组合测绘技术
本文给出的“无人机+CORS”组合测绘技术作业流程为:(1)接受任务;(2)制定作业技术设计书;(3)像控点布设;(4)像控点及道路高程点测量(基于CORS技术);(5)无人机航飞;(6)空三加密;(7)构建地面模型;(8)生成正射影像;(9)制作线画图;(10)外业调绘;(11)制作1∶500地形图;(12)质量检查;(13)提交成果。“无人机+CORS”组合测绘技术作业流程图如图1所示。
2、工程案例应用
2.1工程概况
2018年4月，我单位中标天津市宝坻区某农村供水管网测绘项目，该项目要求30天内完成6个乡镇共计140个村的1∶500地形图的测绘工作并提交测绘成果。测绘内容主要为村内道路的现势地形、地物，建筑可以画块示意，以便于设计单位进行管网设计。6个乡镇区域分布图如图2所示，分布在宝坻主城区四周，各乡镇村落个数不一，大小不一，分布较散，部分村落交通状况较差。测区内地貌基本为平原地区，地形起伏较小，境内高程4m左右，属北温带大陆性气候，平均年降雨量在450mm左右。
图1作业流程图
图2本工程6个乡镇区域分布示意图
2.2项目实施
由于本工程涉及140个村，数量较多，因此不能一一展示介绍，本文以其中A村为例，将“无人机+CORS”组合测绘技术的实施过程介绍如下:
(1)无人机航测
1)像控点布置
A村面积约为0.62km2，大致呈西北—东南走向，长约800m，宽约800m。根据A村实际情况共布设4个像控点;像控点采用在地面粉刷白色圆形图斑形式;4个像控点空间位置沿测绘范围边界布设以确保能够控制整个A村的正射影像精度。像控点三维坐标基于天津CORS系统进行人工采集(GPS接收机采用南方S86型号)。
2)无人机航飞
A村无人机航飞飞行平台为大疆Inspire2无人机，该机型单架次飞行时间20min，最大飞行速度105km/h;航摄仪为禅思X4航摄仪，2400万像素(5472*3648)。航飞前首先设置航飞范围、各项参数，规划航线，然后进行航飞摄影。本次A村航飞高度120m，航向重叠度80%，旁向重叠度75%，共计拍摄照片346张。航飞及高程点数据采集投入人员3人。A村外业航飞、像控点与道路高程点坐标采集共计耗时2h。A村采用航线设计如图3所示。
图3A村航线规划示意图
3)无人机内业处理
无人机航测内业处理软件采用PIX4D，将影像数据、像控点数据、像主点数据、姿态数据等导入PIX4D进行预处理;然后进行刺点，刺点时如若像控点距离像片边缘小于2cm时则放弃刺点，以保证整体影像的拼接精度(本工程4个像控点中有一个像控点不满足上述要求，被禁用)。A村影像初始处理耗时19.5min，处理后的像主点出现一定的偏移，如图4所示(深色为原始点位，浅色为处理后的点位)。像主点出现整体偏移的主要原因为相机拍照的时间与GPS定位记录的时间之间存在一定的差异，从而导致航飞像片拼接的相对精度较高，而绝对精度则较差，因此，无人机航飞作业还需引入地面像控点才能得到高精度的正射影像。初始处理后还需要生成DSM;然后再进行正射影像制作。上述内业处理均可自动化处理完成，总耗时1.5h。
图4A村像主点空三解算后示意图
4)质量检查与成果精度分析
无人机航测成果质量检查主要包含内符合精度检查与外符合精度检查。
内符合精度检查主要包含:(1)像片质量;(2)像片数量;(3)相机参数;(4)同名点数量;(5)像控点质量。从最终处理报告看，上述指标均达到要求。其中，A村共计拍摄346张照片，并全部参与了解算;A村航拍像片像元大小为3.36cm/1.32in，平均每张照片有50720个关键点;像对同名点平均有24626点。另外，A村像主点与像控点的空间位置、同名点密度分布图等指标如图5、图6所示。从图5、图6也可以看出，A村无人机航飞质量较好。
无人机航测成果外符合精度检查采用CORS技术和全站仪进行实地打点的方法，平面精度检查点主要是特征明显地物点、检查用像控点。其中，无人机航测成果平面精度共检查25点，中误差为4.8cm。而基于CORS技术获得的高程点精度可以达到±2cm。通过以上检测结果可以看出，本文基于组合测绘技术取得的测绘成果均满足相关规范对1∶500成果图的各项要求。
(2)道路高程数据采集
由于目前无人机航测成果高程精度较低，难以满足本工程对高程精度的要求，需要采用其他手段获取。考虑到天津本地构建了CORS系统，该系统具有通视条件要求低、作业效率高，并且作业成果高程精度能够达到±2cm，平面精度可以达到±1cm的特点，特别适合本工程道路高程数据采集工作。因此，道路高程数据采集工作就采用了CORS技术，并取得了非常好的效果。A村局部道路地形图成果如图7所示。
图5像主点、像控点分布图
图6同名点密度示意图
图7A村局部道路地形图成果
2.3测绘成果
根据技术设计书获得了A村的DSM、DOM、DLG等测绘成果，如图8～10所示。与传统测量手段相比，本文给出的技术方案获取的测绘成果不仅样式多、信息丰富，而且也大大降低了劳动强度，提高了作业效率，效果良好。
图8A村DSM示意图
3、结语
针对在建(构)筑物较多、通视条件较差等的区域进行传统测量时劳动强度、作业效率低的难题，本文给出了一种“无人机+CORS”的组合测绘技术。工程实践表明，该组合技术不仅充分发挥了无人机在DOM、DLG制图方面的优势，也充分发挥了CORS技术在局域高程测绘项目中的优势，实现了不同测绘手段之间的优势互补，不仅作业效率高，而且成果样式多、信息丰富，为加快设计进度以及优化设计提供了坚实的基础和保证，也为其他类似工程提供了有益的借鉴。
图9A村DOM示意图
图10A村缩微地形图
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