無人機(jī)大比例尺航測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

鄧學(xué)鋒，賀雅輝，高 宇

(1. 河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003； 2. 湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001； 3. 湖北山銳航空遙感科技有限公司，湖北 武漢430070)

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無人機(jī)大比例尺航測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

鄧學(xué)鋒1，賀雅輝2，高 宇3

(1. 河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003； 2. 湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001； 3. 湖北山銳航空遙感科技有限公司，湖北 武漢430070)

以無人機(jī)作為低空遙感平臺(tái)，將選擇的輕小型量測相機(jī)與定制的小型雙頻高動(dòng)態(tài)GPS進(jìn)行搭載集成，并自主研制了一種三軸穩(wěn)定云臺(tái)裝置，可保持無人機(jī)航攝時(shí)相機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規(guī)范要求。將該系統(tǒng)應(yīng)用于1∶500大比例尺地形圖測繪項(xiàng)目，結(jié)果表明該系統(tǒng)的成圖精度完全可以滿足國家航測內(nèi)業(yè)成圖規(guī)范及城市測量規(guī)范要求。

無人機(jī)航測系統(tǒng)；穩(wěn)定云臺(tái)；大比例尺測圖

目前多數(shù)無人機(jī)由于體型小、載荷有限，多搭載輕小型非量測普通相機(jī)作為影像獲取裝備，而用于定位定姿等的輔助設(shè)備通常重量和體積較大，難以集成于無人機(jī)低空遙感平臺(tái)上，限制了無人機(jī)航空攝影測量在大比例尺(如1∶500)測圖中的應(yīng)用。此外，由于非量測相機(jī)的內(nèi)方位元素和鏡頭畸變系數(shù)未知，光學(xué)系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得獲取的航空影像難以滿足大比例尺測圖的精度要求。盡管無人機(jī)載GPS輔助系統(tǒng)在我國西部中小比例尺地形圖測繪中得到了廣泛應(yīng)用，但對于成果精度需求較高的項(xiàng)目，如生產(chǎn)1∶500—1∶1000大比例尺地形圖，仍難以滿足成圖精度要求。因此，研制適用于大比例尺地形圖測繪的無人機(jī)搭載平臺(tái)，具有成本低、易推廣等特點(diǎn)，以及重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

時(shí)間延遲積分(TDI)技術(shù)可大幅度提升航空影像的幾何分辨率，為無人機(jī)低空攝影測制大比例尺地形圖提供了良好的數(shù)據(jù)支持，而GPS硬件與低空攝影系統(tǒng)的集成也為無人機(jī)大比例尺航測系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支撐。本文利用時(shí)間延遲積分(TDI)技術(shù)和GPS輔助系統(tǒng)，自主研制了相機(jī)穩(wěn)定云臺(tái)裝置，并與無人機(jī)載GPS輔助航測系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成了無人機(jī)大比例尺航測系統(tǒng)，在“數(shù)字固始地理空間框架建設(shè)”項(xiàng)目中進(jìn)行了1∶500地形圖測繪，結(jié)果表明該系統(tǒng)在航攝過程中內(nèi)方位元素表現(xiàn)穩(wěn)定，獲得的航攝影像質(zhì)量高，成圖精度滿足國家相關(guān)規(guī)范要求，并大量減少了外業(yè)工作量，顯著提高了生產(chǎn)效率。

1 加裝云臺(tái)穩(wěn)定裝置的無人機(jī)載GPS輔助航測系統(tǒng)

為克服無人機(jī)載荷小、無法搭載大型量測型相機(jī)等問題，使之滿足大比例尺航測需求，本文選用輕小型量測型相機(jī)，并研制了能夠保持航飛過程中相機(jī)姿態(tài)角穩(wěn)定的三軸穩(wěn)定云臺(tái)裝置，然后與定制的小型雙頻高動(dòng)態(tài)GPS進(jìn)行集成，組成影像獲取系統(tǒng)。無人機(jī)航空攝影過程中，該GPS設(shè)備可高速、動(dòng)態(tài)地觀測并記錄衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)記錄航攝相機(jī)曝光瞬間快門打開至最大的脈沖時(shí)刻，并根據(jù)17 h后的快速星歷處理結(jié)果獲取攝站點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，作為后續(xù)空三加密的代權(quán)觀測值參與平差。

1.1 加裝三軸穩(wěn)定云臺(tái)的量測相機(jī)與GPS集成

航空影像質(zhì)量直接影響到大比例尺航測法成圖精度，因此在航攝過程中，要求相機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定，內(nèi)方位元素及光學(xué)畸變已知。本文對無人機(jī)相機(jī)搭載系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研發(fā)，集成了小型量測型相機(jī)和GPS輔助系統(tǒng)，具體過程如下：

(1) 選用丹麥飛思公司改進(jìn)的IXU-1000工業(yè)相機(jī)作為影像獲取裝備，并在設(shè)計(jì)建立的室內(nèi)外檢校場，對相機(jī)的內(nèi)方位元素、光學(xué)畸變進(jìn)行了標(biāo)定。

利用共線條件方程進(jìn)行定標(biāo)的公式為

(1)

式中，Δx、Δy為畸變改正參數(shù)?？紤]徑向畸變、偏心畸變及仿射變形，最終改正模型為

(2)

式中，k1、k2、p1、p2為畸變系數(shù)；b1、b2為CCD像元的非正方形和CCD陣列的不垂直性引起的仿射和剪切畸交換系數(shù)。

(2) 設(shè)計(jì)研制了用于搭載小型相機(jī)的三軸穩(wěn)定云臺(tái)裝置，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)姿態(tài)角的控制，并對相機(jī)進(jìn)行了姿態(tài)校正。不同比例尺航測成圖對攝影時(shí)的傾斜俯仰和側(cè)滾姿態(tài)均有不同限制，無人機(jī)大比例尺航測時(shí)航高多處于500～1500 m，氣流變化大，飛行姿態(tài)極易受氣流影響，造成航傾角過大，從而影響成圖精度。因此，為保持相機(jī)在航飛過程中姿態(tài)穩(wěn)定，本文自主研制了一種三軸穩(wěn)定云臺(tái)裝置(如圖1所示)，能夠?qū)崟r(shí)控制航空攝影時(shí)無人機(jī)的飛行姿態(tài)，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規(guī)范要求。

圖1 三軸穩(wěn)定云臺(tái)

(3) 在穩(wěn)定云臺(tái)上集成了重量不足300 g的小型雙頻GPS接收機(jī)，用于記錄GPS衛(wèi)星信號(hào)，總體集成系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 無人機(jī)搭載系統(tǒng)集成

1.2 event mark時(shí)刻的準(zhǔn)確性標(biāo)定

event mark時(shí)刻的準(zhǔn)確性影響到攝站點(diǎn)坐標(biāo)的精度，因此必須對相機(jī)脈沖信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，使其處于相機(jī)快門打開與關(guān)閉的中間時(shí)刻。本系統(tǒng)機(jī)載GPS選用了高動(dòng)態(tài)量測型航空天線，采樣頻率設(shè)置為2 Hz，相機(jī)曝光時(shí)，當(dāng)快門開啟到最大時(shí)向GPS發(fā)送一個(gè)高電平脈沖(event mark)，并記錄到GPS文件，通過該時(shí)刻可內(nèi)插出所有攝站點(diǎn)的空間位置。

1.3 無人機(jī)載GPS數(shù)據(jù)處理

考慮到GPS在飛行過程中連續(xù)觀測存在漂移量，平差時(shí)需要對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行逐航線改正，以消除GPS連續(xù)觀測累計(jì)的漂移誤差。本文將下載后的機(jī)載GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合同一時(shí)段的快速星歷進(jìn)行平差解算，利用地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合每張相片曝光時(shí)刻內(nèi)插出每張像片的3個(gè)直線元素。

2 無人機(jī)大比例測圖及精度評價(jià)

本文利用自主研發(fā)的無人機(jī)航測系統(tǒng)完成了固始縣城規(guī)劃區(qū)39 km2的1∶500地形圖測繪任務(wù)，并對成圖精度進(jìn)行了分析與評價(jià)。固始縣位于河南省中東部，屬平原地區(qū)，平均海拔50 m，測繪范圍覆蓋部分建成區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部，包括了大比例尺地形圖測繪的諸多要素，具有一定的代表性。

2.1 航線布設(shè)與測圖

在測區(qū)39 km2范圍內(nèi)設(shè)計(jì)布設(shè)11條航線，地面分辨率為5 cm，其中構(gòu)架航線布設(shè)兩條，地面分辨率設(shè)計(jì)為6.5 cm，設(shè)計(jì)的航線布設(shè)方案如圖3所示。選擇4個(gè)像片控制點(diǎn)、9個(gè)檢查點(diǎn)，為檢查和評定空三加密精度，在測區(qū)內(nèi)選擇分布均勻的10個(gè)明顯地物點(diǎn)作為平高檢查點(diǎn)。

圖3 航線與構(gòu)架航線布設(shè)方案

2.2 測圖過程

利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)導(dǎo)入空三加密成果，進(jìn)行地物地貌要素的立體采集，形成調(diào)繪工作底圖；外業(yè)根據(jù)工作底圖進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪，查缺補(bǔ)漏并進(jìn)行精度檢測，最終編輯1∶500地形圖。

2.3 成圖精度分析和評價(jià)

采取隨機(jī)抽樣法抽取4幅圖進(jìn)行精度檢驗(yàn)，分別檢查兩幅圖的高程和平面位置精度，每幅圖利用RTK實(shí)地采集30個(gè)高程點(diǎn)和平面點(diǎn)坐標(biāo)，分別與地形圖上相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行對比，據(jù)此對精度進(jìn)行分析評價(jià)。

檢查點(diǎn)的高程中誤差按下式計(jì)算(結(jié)果見表1)

(3)

式中：m1為高程中誤差；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；di為檢測點(diǎn)圖上高程與實(shí)測高程的較差。

表1 高程精度統(tǒng)計(jì)

檢查點(diǎn)的平面中誤差按下式計(jì)算(結(jié)果見表2)

(4)

式中，m2為平面位置中誤差；n為檢查點(diǎn)個(gè)數(shù)；dS為檢測點(diǎn)圖上位置與實(shí)測值的較差。

表2 平面位置精度統(tǒng)計(jì)

1∶500比例尺地形圖航測成圖規(guī)范要求：高程中誤差為±0.2 m，平面位置中誤差為±0.2 m和±0.3 m，城市測量規(guī)范的相應(yīng)規(guī)定則分別為±0.15 m和±0.2 m。由表1和表2可以看出，高程和平面中誤差完全滿足相關(guān)規(guī)范精度要求。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，利用本文研發(fā)的無人機(jī)載GPS輔助航攝測圖系統(tǒng)，采用四角布設(shè)像控點(diǎn)原則，能滿足1∶500大比例尺地形圖成圖精度要求。

2.4 生產(chǎn)效率對比

將無人機(jī)大比例尺航測成圖方法與常規(guī)航測成圖方法進(jìn)行對比，在像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量、作業(yè)天數(shù)及作業(yè)效率方面具有明顯的優(yōu)勢，詳見表3。

表3 生產(chǎn)效率對比情況

由表3可知，常規(guī)航測成圖法布設(shè)像控點(diǎn)300個(gè)，而本文方法所需像控點(diǎn)僅為13個(gè)(約為常規(guī)方法的4%)，作業(yè)天數(shù)由20 d縮短為3 d，大幅度減少了野外像片控制測量工作量，顯著提高了外業(yè)作業(yè)效率。

3 結(jié) 語

本文采用自主集成的無人機(jī)載GPS輔助航攝系統(tǒng)進(jìn)行1∶500大比例尺地形圖生產(chǎn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)在大比例尺測圖中能夠滿足國家航測成圖規(guī)范及城市測量規(guī)范的精度要求，同時(shí)顯著提高了生產(chǎn)效率，為我國無人機(jī)大比例尺地形圖測繪工作提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

[1] 黃世德.航空攝影測量學(xué)[M].北京：測繪出版社，1987.

[2] 張祖勛,張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1997.

[3] 袁修孝，高宇，鄒小榮.GPS輔助空中三角測量在低空航測大比例尺地形圖成圖中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2012,37(11):1289-1293.

[4] 連鎮(zhèn)華.無人機(jī)航攝相片傾角對立體高程扭曲的影響分析[J].地理空間信息，2010(1):20-22.

[5] 吳巧玲.大比例尺影像航測像控布點(diǎn)方案探討[J].測繪通報(bào),2009(5):35-37.

[6] 石華勝，王守康，高宇.利用輕型機(jī)機(jī)載GPS輔助進(jìn)行大比例尺地形圖航測[J].測繪通報(bào),2013(7):46-48.

[7] 盧小平.電磁波信號(hào)在對流層中路徑彎曲改正的級(jí)數(shù)展開式[J]．測繪學(xué)報(bào)，2008，37(2)：12-16.

[8] 石雅文.利用彈射式無人機(jī)進(jìn)行航空攝影若干問題分析[J].城市勘測, 2013(3):89-91.

[9] 劉國橋，高宇，張謀見，等.利用快門速度控制減少像移提高無人機(jī)航測高程精度的探討[J].江西測繪，2011(2):23-25.

[10] 付青松.省級(jí)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行測試[J].江西測繪，2011(4):9-11.

[11] 張建軍，高宇.平坦地區(qū)像控點(diǎn)采用GPS擬合高程的探討[J].地理空間信息，2008(3):21-23.

[12] 吳巧玲，董祥林，高宇.利用高程二次定向提高無人機(jī)航測高程精度的探討[J].測繪通報(bào)，2011(7):12-14.

[13] 傅長剛.民用數(shù)碼相機(jī)可量測化的探討[J].地理空間信息，2009(6):147-149.

[14] 晏磊，呂書強(qiáng)，趙紅穎，等.無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2005，37(6):67-70.

[15] 李德仁，李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2014，39(5):505-513.

The Assembling of Camera System and GPS Carried on UAV for Large Scale Topographical Mapping

DENG Xuefeng1，HE Yahui2，GAO Yu3

(1. Henan Surveying and Mapping Engineering Institute，Zhengzhou 450003, China； 2. Hunan First Surveying and Mapping Institute， Hengyang 421001, China； 3. Hubei Sunrise Photogrammetricair Remote Sensing Technology Co. Ltd.， Wuhan 430070, China)

In this paper, unmanned aerial vehicle (UAV) is used as a low altitude remote sensing platform. On the basis of integration of small light measurement camera with dual frequency high dynamic GPS， a three axis stabilized platform device can stably keep the camera attitude angle of UAV, make digital image shooting can meet the requirements of large scale mapping. The system is successfully applied in the 1∶500 large-scale topographic mapping project. The experimental results show that the accuracy of the system can be well suited to the requirements of the national photogrammetric mapping standards and the urban surveying standards.

UAV aerial survey system；stable tilt table；large scale mapping

鄧學(xué)鋒，賀雅輝，高宇.無人機(jī)大比例尺航測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(6)：87-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0196.

2016-11-28；

2017-02-04

2016年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0803103)；河南省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(14IRTSTHN026)

鄧學(xué)鋒(1975—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y繪地理信息技術(shù)與應(yīng)用。E-mail:15838163672@163.com

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0494-0911(2017)06-0087-03