應用無人機航攝的大比例尺測圖探討

羅旋

摘 要：針對低空無人機航攝系統(tǒng)工作效能與測量精度方面的問題，筆者所在團隊實現(xiàn)了一套無人機航攝系統(tǒng)，在浙江某區(qū)域開展了航攝試驗，論文介紹了航攝系統(tǒng)的組成，給出了具體的試驗流程，結(jié)果表明，成像結(jié)果可以滿足1∶1000地形圖測圖的平面精度要求。

關鍵詞：無人機 航攝系統(tǒng) 大比例尺測圖 探討

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0176-02

傳統(tǒng)無人機并非為航空遙感而設計，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存在較大的光學畸變，不能直接用于測繪生產(chǎn)，低空無人機航攝系統(tǒng)面臨著工作效能與測量精度兩方面的問題。

該研究實現(xiàn)了一套中型固定翼無人機攝影測量系統(tǒng)，為了驗證該自主低空航攝系統(tǒng)的測量精度，設計試驗于和田某區(qū)域進行實際航飛作業(yè)，布設一個具有大量地面控制點的飛行試驗場，采用無人機搭載非量測型數(shù)碼相機進行攝影作業(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算全部系統(tǒng)誤差對像點位置坐標的綜合改正值，從而確定內(nèi)方位元素和物鏡的光學畸變值，實現(xiàn)相機的高精度標定，并將標定結(jié)果用于測繪產(chǎn)品生產(chǎn)，以此來對無人機航空攝影測量系統(tǒng)在小區(qū)域大比例尺地形圖立體測繪中所能達到的精度水平進行評估和驗證。

1 航攝系統(tǒng)組成

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

1.1 無人機飛行平臺

由于固定翼無人機具有低成本，可實現(xiàn)低速平穩(wěn)飛行等優(yōu)點，該研究采用固定翼無人機平臺。平臺主要采用重量輕、強度大的玻璃鋼和碳纖維復合材料加工而成，機長為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，任務倉尺寸為600 mm280 mm×200 mm，任務載荷為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。

1.2 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)用于飛行控制與任務設備管理，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，可實現(xiàn)飛機姿態(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時掌握飛機和遙感設備的飛行情況。機上采用的 GPS 接收板為普通單頻無差分GPS，導航精度約在±5 m 以內(nèi)，控制方式有人工遙控和自主飛行兩種。

1.3 遙感設備

此次試驗搭載的遙感設備為 135 畫幅單反相機及廣角定焦鏡頭，鏡頭標稱焦距28 mm；CMOS傳感器尺寸：36 mm×24 mm，最大像素：6048像素×4032像素；CMOS傳感器像點尺寸：5.95 μm。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點曝光，將對焦環(huán)固定在無窮遠處鎖定相機的內(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)。

2 地面檢校場的建立

為保證無人機飛行試驗的安全性，該檢校場選址于浙江某平原地區(qū)，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的人工控制點標志，按照300 m間距均勻布設10×4個人工地標作為平高控制點，另設10個人工地標作為檢查點。此外，在檢校場選取某處地面紋理密集區(qū)域測出14個點的坐標位置作為檢查點，以便后期驗證精度使用。檢校場地面點分布如圖1所示。

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

3 基于檢校場的航攝試驗

3.1 試驗數(shù)據(jù)

該試驗設計飛行拍攝模式為定點曝光，無人機航高為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較多的兩組影像（A、B 兩組）參與后期的平差處理。

3.2 相機檢校與測圖精度分析

該研究的檢校原理是采用區(qū)域網(wǎng)空中三角測量運算中的自檢法，將可能存在的系統(tǒng)誤差，包括相機的實際測量焦距、像主點偏移值、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。該文所采用附加參數(shù)光束法平差的系統(tǒng)畸變數(shù)學模型為：

式中，為像點在像平面坐標系中的坐標；、為徑向畸變參數(shù)；、為偏心（ 切向） 畸變參數(shù)；為像素的非正方形比例因子；為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，對應地表的高差約為35 m，共有4個控制點、2個檢查點。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行系統(tǒng)誤差計算。檢校結(jié)果如下：

為了驗證該檢校結(jié)果的有效性，選擇地面檢查點密布的 B 組影像（如圖2所示） ，在未代入檢校結(jié)果前，先采用鏡頭標稱值進行區(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個控制點和5個檢查點，試驗表明，在檢校前后檢查點的殘差發(fā)生較大變化。

根據(jù)檢查點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。

且所有檢查點的平面精度滿足1∶1000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范，但高程在相機標定前后都有所超限。

4 分析總結(jié)

4.1 存在的問題及原因分析

（1）非量測型相機的局限。

在航攝比例尺≥1∶4000的情況下，航偏角一般不大于10°，由于非量測型相機的幅面過?。–MOS傳感器尺寸：36 mm×24 mm），同樣的航偏角對于專業(yè)量測型相機仍能滿足重疊度的要求，而對于135畫幅非量測型相機，則會出現(xiàn)攝影漏洞（重疊度<53%）。因此，有必要采取相機拼接的辦法或者選取中畫幅相機以提高像片覆蓋。

（2）測高精度。

影像的高程精度是直接由傳感器本身設計的基高比來決定的。理想基高比為1∶1～1∶1.5，該次試驗用到的CMOS傳感器尺寸：36 mm×24 mm，COMS傳感器像點尺寸：5.95μm，最大像素：6048像素×4032像素，焦距28 mm，任務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，要實現(xiàn)無人機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現(xiàn)。

4.2 總結(jié)

該試驗采取135畫幅CCD民用數(shù)碼相機，以無人飛行器為平臺進行相對航高為470 m的航攝作業(yè)，通過檢校標定成像結(jié)果可以滿足1∶1000地形圖測圖的平面精度要求。試驗表明無人機航攝系統(tǒng)可以云下低空飛行，具有機動、靈活等特點，能夠獲取衛(wèi)星和有人飛機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用，可以作為傳統(tǒng)航空、航天遙感平臺的重要補充。

參考文獻

[1] 張強.低空無人直升機航空攝影系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].鄭州：信息工程大學，2007.

[2] 王志豪，劉萍.無人機航攝系統(tǒng)大比例尺測圖試驗分析[J]. 測繪通報，2011（7）：18-20.