基于低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)試驗(yàn)分析研究

李金全

摘 要：針對(duì)低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)工作效能與測量精度方面的問題，筆者所在團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一套無人機(jī)航攝系統(tǒng)，在新疆和田某荒漠區(qū)開展了航攝試驗(yàn)，對(duì)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(píng)估，結(jié)果表明，成像結(jié)果可以滿足1∶1 000 地形圖測圖的平面精度要求。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 航攝系統(tǒng) 大比例尺測圖

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（b）-0087-02

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)，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[1-2]。

該研究實(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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)估和驗(yàn)證。

1 航攝系統(tǒng)組成

該檢校試驗(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(tái)、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。

1.1 無人機(jī)飛行平臺(tái)

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)，該研究采用固定翼無人機(jī)平臺(tái)。平臺(tái)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(shí)間為3 h，控制半徑≤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(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[3]，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)、航高、速度、航向的控制及各個(gè)參數(shù)的傳輸，以便于地面人員實(shí)時(shí)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±5m以內(nèi)，控制方式有人工遙控和自主飛行2種。

1.3 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：5.95μm。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點(diǎn)曝光，將對(duì)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)。

2 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(shí)及保證定位精度，制作 50個(gè)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(gè)人工地標(biāo)作為平高控制點(diǎn)，另設(shè)10個(gè)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(gè)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。

所有地面控制點(diǎn)采用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)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)。

3 基于檢校場的航攝試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該試驗(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%。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。

3.2 相機(jī)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(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、像主點(diǎn)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。該文所采用的附加參數(shù)光束法平差的系統(tǒng)畸變數(shù)學(xué)模型為：

式中，為像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；、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(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(duì)應(yīng)地表的高差約為35 m，共有 4個(gè)控制點(diǎn)、2個(gè)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(duì)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，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(duì)比檢校后的平差結(jié)果。平差過程中共采用5個(gè)控制點(diǎn)和5個(gè)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)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(duì)高程精度的影響尤為明顯，這表明了檢校結(jié)果的有效性。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。

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(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°，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(duì)于專業(yè)量測型相機(jī)仍能滿足重疊度的要求，而對(duì)于135畫幅非量測型相機(jī)，則會(huì)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。

（2）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，該次試驗(yàn)用到的CMOS傳感器尺寸：36 mm×24 mm，COMS 傳感器像點(diǎn)尺寸：5.95μm，最大像素：6 048像素×4 032像素，焦距28 mm，任務(wù)時(shí)為窄像對(duì)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)。

4.2 總結(jié)

該試驗(yàn)采取135畫幅CCD民用數(shù)碼相機(jī)，以無人飛行器為平臺(tái)進(jìn)行相對(duì)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(dòng)、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(duì)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(tái)的重要補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡安文，張祖勛.對(duì)高分辨率遙感影像基于仿射變換的嚴(yán)格幾何模型的討論[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2006（2）：104-107.

[2] 狄穎辰.無人機(jī)遙感圖像拼接系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2011.

[3] 張鵬強(qiáng)，余旭初，韓麗，等.基于直線特征匹配的序列圖像自動(dòng)配準(zhǔn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2007，32（8）：676-679.