低空無(wú)人機(jī)航測(cè)1∶1000地形圖

林莉黃昶

(四川省遙感信息測(cè)繪院，四川成都 610100)

隨著固定翼輕型低空無(wú)人飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展和GPS自動(dòng)駕駛技術(shù)的運(yùn)用，利用無(wú)人飛機(jī)進(jìn)行應(yīng)用于測(cè)繪的航空攝影成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)人飛機(jī)體積小巧，機(jī)動(dòng)靈活，不需專用跑道起降，受天氣和空域管制的影響很小，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)快速獲取影像。研究利用無(wú)人飛機(jī)獲取的航空影像進(jìn)行地形圖測(cè)繪，對(duì)影像獲取困難地區(qū)以及需要快速成圖的地區(qū)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，其快速、現(xiàn)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，將在城市規(guī)劃、數(shù)字城市建設(shè)、國(guó)家應(yīng)急救災(zāi)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和新農(nóng)村測(cè)繪保障等方面發(fā)揮積極的作用。

1 低空無(wú)人飛機(jī)航攝系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件

硬件系統(tǒng)由五部分組成:無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傳感器(數(shù)碼相機(jī))、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)與遙控器以及地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái):無(wú)人機(jī)由機(jī)體、操縱系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)三部分組成。

傳感器:航攝用傳感器配備佳能5D markⅡ定焦數(shù)碼相機(jī)，焦距分別為35 mm和24 mm。相機(jī)像素大小為6.4μm，像幅大小為5 616像素×3 744像素(2 100萬(wàn)像素)。

飛控系統(tǒng):飛控采用自動(dòng)駕駛儀UP30，它高度集成了GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、空速傳感器、飛行控制系統(tǒng)等部件，可以穩(wěn)定控制各種氣動(dòng)布局的中低速無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位和自主飛行。

地面監(jiān)控系統(tǒng)與遙控器:地面監(jiān)控系統(tǒng)包括地面監(jiān)控工作站(聯(lián)想便攜式計(jì)算機(jī))、UP30飛控軟件、電臺(tái)和天線。其中在UP30飛控軟件中設(shè)計(jì)編輯航線和航路點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)修改無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和目標(biāo)航點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的各種飛行參數(shù)和電池電壓。所有這些數(shù)據(jù)均通過(guò)電臺(tái)和天線與無(wú)人機(jī)進(jìn)行通訊。遙控器是手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)飛行的遠(yuǎn)程控制設(shè)備，技術(shù)嫻熟的操控手利用遙控器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)滑跑起飛和降落。

地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng):地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng)配有一輛汽車，可長(zhǎng)距離裝載運(yùn)輸無(wú)人機(jī)設(shè)備。另外還配有警示筒、警示衣、警示繩等安全保障設(shè)備。

1.2 配套軟件

包括曝光點(diǎn)設(shè)計(jì)軟件、航攝質(zhì)量快速檢查軟件、影像預(yù)處理軟件。

2 地形圖航空攝影測(cè)量

項(xiàng)目位于四川綿陽(yáng)某地，是關(guān)于火車站擴(kuò)建的1：1000規(guī)劃用圖，前期計(jì)劃使用全野外測(cè)圖并已經(jīng)開展，但工期甚急，無(wú)法滿足10天完成10 km2的要求。測(cè)區(qū)地形類別為丘陵，平均高程約520m，交通較發(fā)達(dá)，寶(雞)成(都)鐵路縱穿其內(nèi)，農(nóng)村居民地零星分布較多，面積約10 km2。

甲方提供綿陽(yáng)2000坐標(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的CORS參數(shù)及賬號(hào)，成圖亦采用綿陽(yáng)2000坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

2.1 航空攝影

使用數(shù)碼相機(jī)航攝時(shí)，航線設(shè)計(jì)以GSD(地面分辨率)為出發(fā)點(diǎn)，先由成圖比例尺確定GSD，進(jìn)而確定航高。在高差較小的地區(qū)航攝時(shí)，成圖比例尺與GSD的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 地面分辨率對(duì)應(yīng)

本次航攝采用35 mm焦距的數(shù)碼相機(jī)，其焦距和像元尺寸是確定的，航高與地面分辨率有關(guān)，它們存在以下比例關(guān)系

上式中f為焦距(35 mm)，H為航高，＆為像元尺寸(6.4μm)，GSD為地面分辨率。

根據(jù)以上公式可計(jì)算出本次航攝的相對(duì)航高約為550m，絕對(duì)航高1 070m。

根據(jù)航測(cè)規(guī)范要求，本次航攝航向重疊度設(shè)定為65%，旁向重疊度設(shè)定為35%，按照計(jì)算的航高和重疊度、地面分辨率等參數(shù)，輸入航線設(shè)計(jì)軟件，計(jì)算曝光點(diǎn)坐標(biāo)，并可確定本次航攝的航線數(shù)、相片數(shù)、基線長(zhǎng)度、旁向間距、總航程等參數(shù)。

天氣允許即可進(jìn)行航攝，本次攝影時(shí)間為2011年1月4日，獲取影像參數(shù)見表2。

表2 影像參數(shù)

2.2 像片控制

(1)布點(diǎn)方案及要求

本次航攝為南北飛行，根據(jù)《航外規(guī)范》的要求，該區(qū)域外業(yè)按6條基線逐航帶布設(shè)平高像控點(diǎn)，并在測(cè)區(qū)鋪裝路面布設(shè)高程點(diǎn)以檢查加密和成圖的高程精度。

像控點(diǎn)盡量選在平房房角、道路行車線、斑馬線、花臺(tái)角、影像小于0.2 mm的點(diǎn)狀地物中心等明顯的地方;若確無(wú)明顯地方，可分開布設(shè)平面、高程控制點(diǎn)，但不能選在人字頂房角、有草叢的田埂、有弧度的田角等，當(dāng)布設(shè)的點(diǎn)高于地面時(shí)，還應(yīng)提供該點(diǎn)至地面的比高。

(2)像片控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的施測(cè)

本次像片控制測(cè)量采用綿陽(yáng)市CORS系統(tǒng)，根據(jù)提供的參數(shù)直接獲取綿陽(yáng)2000坐標(biāo)和1985國(guó)家高程。像控點(diǎn)采用電子刺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)點(diǎn)位照相并制作點(diǎn)位信息表供內(nèi)業(yè)加密使用。

像控點(diǎn)測(cè)量主要技術(shù)要求應(yīng)符合表3的精度規(guī)定。

表3 像控點(diǎn)精度規(guī)定

本次共測(cè)量了113個(gè)像控點(diǎn)、135個(gè)檢查點(diǎn)。

2.3 內(nèi)業(yè)加密

進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量平差前，需對(duì)經(jīng)畸變差改正后的原始航空影像進(jìn)行無(wú)控制自由網(wǎng)平差，如果相對(duì)定向誤差不大于2/3個(gè)像素，像點(diǎn)收斂值不大于2/3個(gè)像素，則該原始航空影像畸變差改正正確，可開展后續(xù)工作。

利用VirtuoZoAAT 3.5空三加密軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)航空影像區(qū)域網(wǎng)平差，精度情況見表4。

表4中平面限差、高程限差為《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》對(duì)1：1000丘陵的精度要求。

表4 區(qū)域網(wǎng)平差精度 m

測(cè)區(qū)有部分外業(yè)全野外測(cè)繪1：1000地形圖數(shù)據(jù)，為了進(jìn)一步檢測(cè)高程精度，將圖內(nèi)內(nèi)已有外業(yè)實(shí)測(cè)高程點(diǎn)導(dǎo)入立體模型檢測(cè)立體模型高程精度，精度情況見表5。

表5 高程精度檢測(cè) m

2.4 一體化成圖

采用“內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集—外業(yè)調(diào)繪編輯一體化”的技術(shù)路線。首先利用全數(shù)字空中三角測(cè)量成果恢復(fù)立體模型，并對(duì)相對(duì)定向、絕對(duì)定向進(jìn)行檢查，再根據(jù)《內(nèi)業(yè)規(guī)范》、《圖式》及《代碼》采集地物、地貌要素，并在進(jìn)行簡(jiǎn)單編輯并打印，外業(yè)根據(jù)打印圖紙和測(cè)圖數(shù)據(jù)，根據(jù)《外業(yè)規(guī)范》進(jìn)行外業(yè)修測(cè)、補(bǔ)測(cè)、調(diào)繪，采用電子清繪與編輯一體化作業(yè)，經(jīng)100%兩級(jí)檢查后提交成果

調(diào)繪的基本內(nèi)容包括:①對(duì)內(nèi)業(yè)采集的所有要素進(jìn)行定性;②補(bǔ)測(cè)、補(bǔ)調(diào)隱蔽、新增和采集遺漏的地物;③進(jìn)行屋檐改正及重要地物的精度檢核等工作;④糾正內(nèi)業(yè)采集錯(cuò)誤的地物;⑤實(shí)地注意調(diào)注地理名稱、實(shí)體屬性內(nèi)容等，做到地理景觀不失真，各地理要素關(guān)系協(xié)調(diào)、合理;⑥平面和高程的精度檢測(cè)。

清繪編輯的基本內(nèi)容包括:①將調(diào)繪的各類屬性上圖;②導(dǎo)入全野外采集的新增、遺漏、補(bǔ)測(cè)的地物;③進(jìn)行房檐改正以及新增的距離交會(huì)地物;④修改外業(yè)發(fā)現(xiàn)的采集錯(cuò)誤并將地理名稱上圖;⑤按照?qǐng)D式處理編輯各類圖形關(guān)系并配置符號(hào);⑥整飾圖幅并接邊。

2.5 成圖精度評(píng)估

根據(jù)規(guī)范要求，丘陵地區(qū)1：1000地形圖明顯地物點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差不得大于圖上0.6 mm(實(shí)地0.6m)，最大平面誤差為2倍平面中誤差。高程注記點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)的高程中誤差不得大于0.5m，等高線對(duì)最近野外控制點(diǎn)的高程中誤差不得大于0.7m，最大高程誤差為2倍高程中誤差。

抽樣對(duì)一幅樣本圖幅進(jìn)行了精度檢測(cè)，按照像控點(diǎn)精度采集了69個(gè)平面檢查點(diǎn)和44個(gè)高程檢查點(diǎn)進(jìn)行成圖精度檢測(cè)，完全滿足規(guī)范要求。成圖精度情況見表6。

表6 成圖精度檢測(cè) m

3 結(jié)論

利用固定翼輕型低空無(wú)人飛機(jī)航攝測(cè)繪1：1000地形圖在丘陵或者山地完全能夠滿足規(guī)范的精度要求，其平面精度優(yōu)于高程精度，根據(jù)常規(guī)航測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，在平坦地區(qū)是否滿足高程精度還需要更多的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本項(xiàng)目從航飛開始到上交成果只用了10天時(shí)間，是全野外測(cè)圖效率的10倍以上，這對(duì)快速獲取中小面積規(guī)劃用途或者應(yīng)急用圖具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

［1］GB/T 7931—2008 1：500 1：1000 1：2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范［S］

［2］GB/T 7930—2008 1：500 1：1000 1：2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范［S］

［3］GB/T 23236—2009 數(shù)字航空攝影測(cè)量 空中三角測(cè)量規(guī)范［S］

［4］CH/T 1009—2010 全球定位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)測(cè)量技術(shù)規(guī)范［S］

［5］GB/T 20257.1—2007 國(guó)家基本比例尺地圖圖式第1部分1：500 1：1000 1：2000地形圖圖式［S］

［6］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量［M］.武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996