無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測圖試驗(yàn)分析

王志豪，劉 萍

(1.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518028;2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測圖試驗(yàn)分析

王志豪1，劉 萍2

(1.深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳 518028;2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

以大比例尺(1∶1 000、1∶500)地形圖測圖為目的，采用中型固定翼無人機(jī)平臺，搭載非量測型民用數(shù)碼相機(jī)，于和田某區(qū)域設(shè)立飛行試驗(yàn)場進(jìn)行航攝試驗(yàn)。在試驗(yàn)場布設(shè)大量精確定位的人工地標(biāo)，對非量測型傳感器進(jìn)行檢校標(biāo)定，對無人機(jī)航攝系統(tǒng)獲取的航攝影像平面精度及測高精度進(jìn)行評估，并對系統(tǒng)的改進(jìn)提出建議。

固定翼無人機(jī);大比例尺測圖;相機(jī)檢校;測高精度

一、引 言

無人飛行器航空攝影系統(tǒng)由于使用成本低、影像分辨率高、機(jī)動快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為低空遙感數(shù)據(jù)快速獲取的有效途徑。而傳統(tǒng)無人機(jī)并非為航空遙感而設(shè)計(jì)，因此沒有考慮到遙感飛行的特殊性。此外，無人飛行器所搭載的非量測型相機(jī)存在較大的光學(xué)畸變，不能直接用于測繪生產(chǎn)［1］。因此，低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)面臨著工作效能與測量精度兩方面的問題。

本研究自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套中型固定翼無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)，為了驗(yàn)證該自主低空航攝系統(tǒng)的測量精度，設(shè)計(jì)試驗(yàn)于和田某區(qū)域進(jìn)行實(shí)際航飛作業(yè)，布設(shè)一個具有大量地面控制點(diǎn)的飛行試驗(yàn)場，采用無人機(jī)搭載非量測型數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影作業(yè)，然后對航飛數(shù)據(jù)通過區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的自檢法來計(jì)算全部系統(tǒng)誤差對像點(diǎn)位置坐標(biāo)的綜合改正值，從而確定內(nèi)方位元素和物鏡的光學(xué)畸變值，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的高精度標(biāo)定，并將標(biāo)定結(jié)果用于測繪產(chǎn)品生產(chǎn)，以此來對無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)在小區(qū)域大比例尺地形圖立體測繪中所能達(dá)到的精度水平進(jìn)行評估和驗(yàn)證。

二、航攝系統(tǒng)組成

本檢校試驗(yàn)采用的航攝系統(tǒng)組成部分有:固定翼無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)和非量測型面陣CCD數(shù)碼相機(jī)，以及地面站、遠(yuǎn)程無線通信裝置、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施。

1.無人機(jī)飛行平臺

由于固定翼無人機(jī)具有低成本，可實(shí)現(xiàn)低速平穩(wěn)飛行等優(yōu)點(diǎn)，本研究采用固定翼無人機(jī)平臺。平臺主要采用重量輕、強(qiáng)度大的玻璃鋼和碳纖維復(fù)合材料加工而成，機(jī)長為2.15 m，翼展為3.1 m，最大起飛重量為20 kg，起飛速度為70 km/h，任務(wù)倉尺寸為600 mm×280 mm×200 mm，任務(wù)載荷為6 kg，飛行速度為100～110 km/h，飛行高度≤4 km，續(xù)航時間為3 h，控制半徑為≤20 km。

2.飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)用于飛行控制與任務(wù)設(shè)備管理，由自駕儀、姿態(tài)陀螺、GPS定位裝置、無線電遙控系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)、航高、速度、航向的控制及各個參數(shù)的傳輸以便于地面人員實(shí)時掌握飛機(jī)和遙感設(shè)備的飛行情況。機(jī)上采用的GPS接收板為普通單頻無差分GPS，導(dǎo)航精度約在±5 m以內(nèi)，控制方式有人工遙控和自主飛行兩種。

3.遙感設(shè)備

此次試驗(yàn)搭載的遙感設(shè)備為135畫幅單反相機(jī)及廣角定焦鏡頭，鏡頭標(biāo)稱焦距28 mm;CMOS傳感器尺寸:36 mm×24 mm，最大像素:6 048像素×4 032像素;CMOS傳感器像點(diǎn)尺寸:5.95 μm。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點(diǎn)曝光，將對焦環(huán)固定在無窮遠(yuǎn)處鎖定相機(jī)的內(nèi)方位元素，并采用固定光圈以保證統(tǒng)一物鏡畸變參數(shù)。

三、地面檢校場的建立

為保證無人機(jī)飛行試驗(yàn)的安全性，該檢校場選址于和田某荒漠地區(qū)，地理位置為80.2°E，36.97°N，所選檢校場總面積約為3 km2，區(qū)域內(nèi)地形高差約90 m。該區(qū)域地貌類型比較單一，地表無明顯人工建筑及自然植被。為了便于辨識及保證定位精度，制作50個90 cm×90 cm的人工控制點(diǎn)標(biāo)志，按照300 m間距均勻布設(shè)10×4個人工地標(biāo)作為平高控制點(diǎn)，另設(shè)10個人工地標(biāo)作為檢查點(diǎn)。此外，在檢校場選取某處地面紋理密集區(qū)域測出14個點(diǎn)的坐標(biāo)位置作為檢查點(diǎn)，以便后期驗(yàn)證精度使用。檢校場地面點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 和田檢校場布點(diǎn)示意圖

所有地面控制點(diǎn)采用RTK實(shí)時動態(tài)差分法進(jìn)行測量，所有坐標(biāo)高程均為WGS-84 ITRF97基準(zhǔn)，平面及高程位置精度可保證在±10 cm以內(nèi)。

四、基于檢校場的航攝試驗(yàn)

1.試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)飛行拍攝模式為定點(diǎn)曝光，無人機(jī)航高為460 m，地面分辨率為10 cm，檢校場影像航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%。如圖2所示，該架次影像共有兩組，挑選姿態(tài)角符合要求且覆蓋地面已知點(diǎn)較多的兩組影像(A、B兩組)參與后期的平差處理。

圖2 數(shù)據(jù)處理中采用的影像圖示

2.相機(jī)檢校與測圖精度分析

本研究的檢校原理是采用區(qū)域網(wǎng)空中三角測量運(yùn)算中的自檢法，將可能存在的系統(tǒng)誤差，包括相機(jī)的實(shí)際測量焦距f、像主點(diǎn)偏移值Δx、Δy、物鏡各畸變參數(shù)等，作為附加參數(shù)引入光束法區(qū)域網(wǎng)平差。本文所采用附加參數(shù)光束法平差的系統(tǒng)畸變數(shù)學(xué)模型為［2］

式中，(x，y)是像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);k1、k2是徑向畸變參數(shù);p1、p2是偏心(切向)畸變參數(shù);b1是像素的非正方形比例因子;b2是CCD陣列排列的非正交性畸變參數(shù)。

航帶中選取A組影像進(jìn)行自檢校平差，A區(qū)處于航帶中間位置，包括第2航帶和第3航帶各3幅，對應(yīng)地表的高差約為 35 m，共有 4個控制點(diǎn)、2個檢查點(diǎn)。為了便于誤差控制，所有后處理過程中均采用UTM 44N投影，通過上述畸變模型對該組影像進(jìn)行系統(tǒng)誤差計(jì)算。檢校結(jié)果如下

為了驗(yàn)證該檢校結(jié)果的有效性，選擇地面檢查點(diǎn)密布的B組影像(如圖2所示)，在未代入檢校結(jié)果前，先采用鏡頭標(biāo)稱值進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，然后對比檢校后的平差結(jié)果。平差過程中共采用5個控制點(diǎn)和5個檢查點(diǎn)，試驗(yàn)表明，在檢校前后檢查點(diǎn)的殘差發(fā)生較大變化，具體數(shù)值如表1所示。

根據(jù)表1中檢查點(diǎn)在檢校前后的殘差變化，檢校后的平面和高程精度均有所改善，其中對高程精度的影響尤為明顯，這表明了檢校結(jié)果的有效性。且所有檢查點(diǎn)的平面精度滿足1∶1 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范，但高程在相機(jī)標(biāo)定前后都有所超限。

五、分析總結(jié)

1.存在的問題及原因分析

(1)航攝效率問題

無人機(jī)的飛行高度決定它所受到的天氣影響會遠(yuǎn)小于航空遙感及衛(wèi)星傳感器，但是本次試驗(yàn)任務(wù)中出現(xiàn)了飛行平臺的不穩(wěn)定性造成的影像姿態(tài)角超限。因此在后續(xù)的工作中應(yīng)當(dāng)提高飛行器平臺的穩(wěn)定性。

表1 B組影像檢查點(diǎn)的殘差值m

(2)非量測型相機(jī)的局限

在航攝比例尺≥1∶4 000的情況下，航偏角一般不大于 10°［3］，由于非量測型相機(jī)的幅面過小(CMOS傳感器尺寸:36 mm×24 mm)，同樣的航偏角對于專業(yè)量測型相機(jī)仍能滿足重疊度的要求，而對于135畫幅非量測型相機(jī)，則會出現(xiàn)攝影漏洞(重疊度＜53%)。因此，有必要采取相機(jī)拼接的辦法或者選取中畫幅相機(jī)以提高像片覆蓋。

(3)測高精度

影像的高程精度是直接由傳感器本身設(shè)計(jì)的基高比來決定的。理想基高比為1∶1～1∶1.5，本次試驗(yàn)用到的CMOS傳感器尺寸:36 mm×24 mm，COMS傳感器像點(diǎn)尺寸:5.95 μm，最大像素:6 048像素×4 032像素，焦距28 mm，任務(wù)時為窄像對飛行模式，航向重疊度60%。其基高比為

式中，GSD為影像像元的地面分辨率。

因此，要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)大比例尺地形圖立體測繪必須要增大基高比，而增大基高比必須通過增大航向成像寬度或縮短焦距來實(shí)現(xiàn)。

2.總 結(jié)

本試驗(yàn)采取135畫幅CCD民用數(shù)碼相機(jī)，以無人飛行器為平臺進(jìn)行相對航高為470 m的航攝作業(yè)，通過檢校標(biāo)定成像結(jié)果可以滿足1∶1 000地形圖測圖的平面精度要求。試驗(yàn)表明無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以云下低空飛行，具有機(jī)動、靈活等特點(diǎn)，能夠獲取衛(wèi)星和有人飛機(jī)無法得到的高分辨率影像數(shù)據(jù)。針對小區(qū)域大比例尺的遙感應(yīng)用，可以作為傳統(tǒng)航空、航天遙感平臺的重要補(bǔ)充。

然而由于本研究試驗(yàn)條件的局限，不可避免地產(chǎn)生了基高比小、高程精度低的問題。在今后的試驗(yàn)及應(yīng)用中可針對不同的航攝目標(biāo)采取相應(yīng)措施:如采取寬像對飛行模式、選取短焦鏡頭、增大相機(jī)CCD靶面等辦法來增大立體相對像幅覆蓋。

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Analysis of Large-scale Mapping Experiment Using UAV Aerophotographic System

WANG Zhihao，LIU Ping

0494-0911(2011)07-0018-03

P23

B

2011-01-04

王志豪(1978—)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y量。