低空多旋翼無人機大比例尺測圖精度可行性分析

張久龍 于勝文 劉尚國

（山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島266590）

1 引言

大比例尺地形圖其位置精度高、地形表示詳盡，是城市建設(shè)、管理、設(shè)計過程中的重要基礎(chǔ)資料。傳統(tǒng)的地形圖測量主要運用經(jīng)緯儀、全站儀、水準儀和GPS等測量儀器來進行測量，其具有工作任務(wù)重、效率低、周期長及成本高等缺點。航空攝影遙感是現(xiàn)在社會快速獲取基礎(chǔ)地理信息行之有效的手段之一，但是傳統(tǒng)的有人航空遙感對外界環(huán)境的要求比較高，飛行成本較高，航攝任務(wù)完成的周期較長，安全性有待提高等，這些原因限制了航空攝影在大比例尺地形圖測繪里的廣泛應(yīng)用。

由此，無人飛行器低空遙感系統(tǒng)（Unmanned Aerial Vehicle Low Altitude Remote Sensing System，UAVRS）［1］應(yīng)運而生。傳統(tǒng)航空攝影存在航攝工作手續(xù)繁雜、對機場和天氣等條件要求較高以及成本等問題，造成航攝周期較長，無法較快滿足城市快速發(fā)展對高精度影像數(shù)據(jù)實時性的要求［2－3］。

無人機遙感與傳統(tǒng)意義上的測量方法、航空攝影和衛(wèi)星遙感相比，具有效率高、影像分辨率高、成本較低、設(shè)備損耗較低、低風險及可重復(fù)使用等優(yōu)點，而且無人機航測在一定航高可以減少辦理空域申請的麻煩，縮短任務(wù)時間、機動性強、維護操作方便、能夠在云層下飛行航拍、無人駕駛風險較小以及低空獲取高分辨率影像等優(yōu)點，是獲取中小范圍大比例尺影像數(shù)據(jù)的有效手段，目前無人機遙感廣泛應(yīng)用在快速監(jiān)測、震后重建、高危地區(qū)地圖數(shù)據(jù)獲取、高精度大比例測圖、地理數(shù)據(jù)局部快速更新以及小區(qū)域三維模型的快速建立等諸多領(lǐng)域［4－9］。

低空多旋翼無人機用于小范圍高精度大比例尺測繪是未來發(fā)展的一個重要趨勢。它可以更加機動、靈活、快速地進行應(yīng)急測繪和測繪成果的實時更新，相比數(shù)字化測圖能有效降低勞動強度，提高工作效率，在一定程度上降低成本；相比于大飛機航測，更加靈活，使小范圍航測變成可能，成本更低；相對于固定翼無人機而言，多旋翼無人機操作簡單，安全系數(shù)高，且?guī)в行⌒驮婆_，更有利于高精度大比例尺測圖。

本次航飛實驗為一套八旋翼無人機攝影測量系統(tǒng)，為了探求該低空無人機航攝系統(tǒng)的所能達到的測量精度，實驗借助于檢校場，它位于涿州市賈村，檢校場的形狀為矩形，尺寸大小約為120 m×90 m，在地面每隔2米等間距布設(shè)有用混凝土鑄成的地標，作為實驗用的高精度控制點。實驗采用八旋翼無人機為平臺搭載非量測數(shù)碼相機進行低空攝影測量，對實驗獲取的高分辨率遙感影像采用區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的方法來計算攝影系統(tǒng)誤差引起的像點坐標的改正值，以此來確定數(shù)碼相機的內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)碼相機的高精度檢校，并將相機檢校參數(shù)用于影像數(shù)據(jù)的處理，然后對八旋翼無人機低空攝影測量系統(tǒng)快速在中小區(qū)域高精度大比例尺地形測圖中所能達到的精度水平進行驗證。

2 航攝系統(tǒng)的組成

實驗采用的低空航攝系統(tǒng)組成包括：八旋翼無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)（Woo Kong－M）和非量測數(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(shè)施。

2.1 無人機飛行平臺

八旋翼無人機系統(tǒng)含有機身、八旋翼、飛控板、三軸穩(wěn)定云臺、GPS導(dǎo)航板、八只無刷電機、容量為15000毫安的高能儲鋰電池。飛行平臺主要功能是搭載遙感設(shè)備并執(zhí)行航攝飛行任務(wù)，無人機平臺主要采用重量輕、高強度的碳纖維復(fù)合材料加工而成。如圖1所示：

2.2 飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)

飛行導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主要作用是飛行控制與任務(wù)設(shè)備管理，是無人機航攝系統(tǒng)的中樞大腦，主要有主控器、IMU、GPS定位裝置、指南針、無線電遙控設(shè)備等組成。無人機上采用的GPS接收機為導(dǎo)航型普通單頻無差分GPS，導(dǎo)航水平精度約在±2m以內(nèi)，高程精度在±0．5米；控制方式可以采用遙控、半程控或程控飛行控制模式，可以實現(xiàn)飛行姿態(tài)、飛行高度、飛行速度的穩(wěn)定控制，保證旋翼機按照預(yù)先設(shè)計的航線平穩(wěn)飛行，并且航線數(shù)據(jù)可在飛行中修改，目標航點也可實時修改，無人機能隨時對監(jiān)控站的遙控指令做出響應(yīng)，接收和存儲航線點，可實現(xiàn)航線點數(shù)據(jù)的自動實時傳回以方便地面操作人員實時掌握飛機和遙感設(shè)備的飛行狀態(tài)。

2.3 遙感任務(wù)設(shè)備

此次實驗搭載的遙感任務(wù)設(shè)備為：三星NX1000數(shù)碼相機，鏡頭標稱焦距為20mm，CMOS傳感器尺寸：23．5mm×15．7mm，最大像素：5472像素×3648像素，CMOS傳感器像點尺寸：4．3um。無人機在飛行過程中用飛行控制系統(tǒng)控制快門定距曝光，并將調(diào)焦環(huán)固定在無窮遠處以保持相機的內(nèi)方位元素，在航飛過程中光圈固定以保證數(shù)碼相機物鏡畸變參數(shù)的統(tǒng)一。

3 基于檢校場的航攝實驗

航測實驗在河北省涿州市賈村地面檢校場，它是國家863重點項目“高精度輕小型航空遙感集成系統(tǒng)”專用檢校場，檢校場為矩形區(qū)域，尺寸大小約為120 m×90 m，并在地面每隔2米用混凝土鑄成標石，并等間距地布設(shè)高精度控制點。檢校場地面模擬地形的差異，有較為平坦的和地形高差差別比較大的區(qū)域，以滿足航測對不同地形的要求。如圖2所示：

3.1 旋翼機航攝影像處理流程

本次實驗設(shè)計飛行拍攝模式為等距曝光，旋翼機相對航高為30m，地面分辨率GSD為0．6cm，檢校場影像設(shè)計為航向重疊度為60%，旁向重疊度為40%，航測試驗飛行了2架次，獲得有效照片數(shù)60張。旋翼機航空攝影測量大比例尺成圖過程的主要步驟如圖3所示：

3.2 數(shù)碼相機的檢校

數(shù)碼相機檢校采用的畸變差改正模型［11］為：

式中，Δx，Δy為像點坐標改正值；x0，y0為像主點坐標；x，y為像方坐標系下的像點坐標；為像點的主點輻射距；k1、k2、k3為徑向畸變系數(shù)，p1、p2為偏心畸變系數(shù)，α為CCD非正方形比例系數(shù)，β為CCD非正交性畸變系數(shù)。因此，引入畸變差后的共線方程為：

式中（X，Y，Z）是于像點坐標對應(yīng)的地面點的坐標；（XS，YS，ZS）為攝站坐標；（ai，bi，ci，i＝ （1，2，3））為外方位角元素 （φ，ω，k）所確定的旋轉(zhuǎn)矩陣的元素。相機檢校結(jié)果如表1所示：

表1 三星NX100相機檢校結(jié)果

3.3 影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理

旋翼機低空數(shù)字攝影測量系統(tǒng)，搭載的非量測數(shù)碼相機的內(nèi)方位元素未知和物鏡在加工、安裝和調(diào)試過程中存在殘余誤差，引起較大的鏡頭畸變，導(dǎo)致航攝影像存在畸變誤差。因此，數(shù)據(jù)在進行空中三角測量前，需要先進行影像預(yù)處理即像點坐標畸變差的改正，以避免空三加密平差迭代解算不收斂或計算結(jié)果不準確等。

3.4 空三加密及精度分析

空三加密的基本處理流程需經(jīng)過像點連接、像控點的測量、平差計算。無人機影像經(jīng)過畸變差改正之后，利用北京四維遠見信息技術(shù)有限公司研制的JX4－G數(shù)字攝影測量系統(tǒng)以全自動的方式進行特征點的提取與匹配，并通過自動的方式進行相對定向和絕對定向的粗差剔除，對出現(xiàn)較大點位誤差的點應(yīng)查明原因并進行修改。量測像控點時，先量測區(qū)2個像控點，其它像控點就可以通過預(yù)測的功能來找到大概位置達到快速量測的目的。本次實驗選用4個作為像控點，57個作為檢查點，進行光束法平差解算，直到加密完成，輸出空三結(jié)果（見圖4—5）。

相對定向：中誤差Mq＝0．002mm，最大誤差Qmax＝0．005mm，總點數(shù)＝55。

表2 檢查點坐標殘差 單位：m

經(jīng)過整理計算，檢查點平面點位中誤差為0．007m，高程中誤差為0．014m（見表2）。

根據(jù)表2中的檢查點坐標殘差計算結(jié)果繪制點位誤差分布圖（見圖6）。點位誤差分布圖可以直觀的反映每一個檢查點的誤差大小及總體分布情況。從點位誤差分布圖中，可以直觀形象的看出X軸、Y軸向點位誤差大多分布在0．005m附近，從Z軸可以看出：高程點位誤差大多分布在－0．014m附近。通過比較可以看出檢查點點位精度完全滿足1∶500低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［12］的要求。

4 結(jié)束語

多旋翼無人機以超低空方式攝影是近幾年快速發(fā)展起來的一項基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，通過本次多旋翼無人機機超低空的精度分析實驗得出：其進行高精度大比例尺測圖是可以滿足要求的，比較適合中小區(qū)域的高精度大比例尺的測圖，也可應(yīng)用于中小范圍的地籍測量和精細三維模型的快速重建。

處于發(fā)展階段的超低空多旋翼航攝技術(shù)還存在一些不足，尺寸較小，重量輕，搭載普通非量測數(shù)碼相機，易受外界因素的影響導(dǎo)致姿態(tài)不穩(wěn)定，存在較大的畸變；受飛行高度的限制，影像像幅較小、重疊度較高、獲取的數(shù)量多，使得后期的處理工作效率低、工作量大。而且相關(guān)的技術(shù)設(shè)備、人員、高分辨率數(shù)據(jù)處理的軟件以及相關(guān)的技術(shù)流程與質(zhì)量控制等都不太成熟。隨著多旋翼機無人機技術(shù)的逐漸發(fā)展，相信低空多旋翼無人機將會在測繪工作中發(fā)揮越來越大的作用。