差分GPS在無人機航測遙感及攝影測量中的應(yīng)用研究

唐少杰

TANG Shao-jie

（貴州省地礦局測繪院）

(Institute of Surveying and Mapping, Guizhou Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources)

差分GPS在無人機航測遙感及攝影測量中的應(yīng)用研究

唐少杰

TANG Shao-jie

（貴州省地礦局測繪院）

(Institute of Surveying and Mapping, Guizhou Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources)

無人機的出現(xiàn)，使得航空攝影測量出現(xiàn)了新的發(fā)展機遇。文章就如何建立高效的無人機航測遙感系統(tǒng)，使其高效的應(yīng)用到航空攝影測量中進行了描述，為相關(guān)研究工作人員提供參考。

無人機；差分GPS；應(yīng)用

1 引言

無人機航空遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，給空間信息采集創(chuàng)造了巨大便利，一方面降低了大量的勞動力，另一方面也極大地提高了信息收集的準(zhǔn)確性。相對發(fā)達國家，我國無人機航空遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)相對較晚，但是具有很大的發(fā)展前景。為了更有效的提高空間信息采集效率和質(zhì)量，構(gòu)建一種高效的無人機航測遙感系統(tǒng)就成為了首要目標(biāo)，相關(guān)研究工作人員需要給予高度重視。

2 無人機航測遙感系統(tǒng)概述

無人機航測遙感系統(tǒng)是一種較為先進的空間信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成，即IMU、GPS接收機、機載相機以及激光掃描儀，通過以上設(shè)備的結(jié)合，實現(xiàn)對地理位置的測量和數(shù)據(jù)采集，從而達到航空攝影測量的實質(zhì)性目的。無人機航測遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得航空測量事業(yè)取得了巨大的進展。相對比傳統(tǒng)的航空攝影測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)勢：第一，高效快速。由于無人機的特殊性，使得該系統(tǒng)具備了高效便利的優(yōu)勢，可以快速進行空間地理信息的有效采集和整理；第二，精度較高。該系統(tǒng)結(jié)合了先進的信息技術(shù)，可以在無人駕駛的情況下進行復(fù)雜區(qū)域的測量，并且測量精度較高，所以被廣泛應(yīng)用到航空測量領(lǐng)域。

3 無人機差分GPS航測遙感系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的航空測量中，由于GPS技術(shù)的缺陷，導(dǎo)致測量效果較差。而隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，它可以有效的應(yīng)用到空三中，使得航空攝影測量成為了可能，這主要是差分GPS的具體應(yīng)用，其原理是：差分GPS可以快速有效的獲取航空攝影中心的位置，同時將其作為帶權(quán)觀測值與區(qū)域網(wǎng)平差，從而達到降低地面控制點數(shù)量的最終目的。由此可見，差分GPS在無人機航測遙感及攝影測量中具有很好的應(yīng)用前景，相關(guān)研究工作人員應(yīng)當(dāng)給予高度關(guān)注。一種基于無人機差分GPS的航測遙感系統(tǒng)，主要由以下幾部分構(gòu)成，即無人機、差分GPS、IMU、雙拼相機、激光掃描儀以及數(shù)據(jù)處理軟件等。

3.1 無人機

本系統(tǒng)中涉及到的無人機采用的是成都縱橫無人機公司生產(chǎn)的CW-20無人機，詳細如圖1所示。

圖1 CW-20無人機

3.2 雙拼相機系統(tǒng)

對于無人機航測遙感系統(tǒng)而言，相機傳感器是最為重要的一項設(shè)備，它對于航測攝影測量的效果起到?jīng)Q定性作用。近年來，無人機航測遙感系統(tǒng)中普遍使用的相機是CCD相機，由于該類相機在價格方面較為便宜，所以廣泛應(yīng)用到無人機航空測量中。但是由于該類相機的光學(xué)性能較差、攝影范圍小，加之無法消除抖動現(xiàn)象，使得在一些復(fù)雜的大比例尺測量工作中，出現(xiàn)測量效果較差的情況。為了消除CCD相機在航測中的缺陷，本次無人機航測遙感系統(tǒng)中設(shè)計了一種雙拼光學(xué)相機系統(tǒng)，具體如圖2所示。相對比CCD相機，該相機系統(tǒng)可以消除航測中抖動的現(xiàn)象，同時它還可以在測量后期對測量影像進行拼接，從而獲得大幅面的合成圖像，這對于大比例尺航測攝影測量而言十分便利和高效。

圖2 雙拼光學(xué)相機

3.3 POS系統(tǒng)

除雙拼相機系統(tǒng)外，POS系統(tǒng)也是無人機航測遙感系統(tǒng)的重要構(gòu)成設(shè)備，主要由IMU和GPS兩部分組成。由于IMU和GPS通過卡爾曼濾波獲得姿態(tài)信息和高精度坐標(biāo)，可以大程度縮減圖像的空三處理過程，降低戶外作業(yè)量，提升測量效率。目前，IMU和GPS構(gòu)成的POS體系是航測系統(tǒng)必須具備的重要設(shè)備，對于配備激光掃描儀的航拍測量設(shè)備來說尤其重要，如果沒有IMU和GPS構(gòu)成的POS系統(tǒng)，激光掃描將是一種擺設(shè)。

3.4 激光掃描儀

無人機差分GPS的航測遙感系統(tǒng)除了以上幾個重要設(shè)備外，還有激光掃描儀設(shè)備，它的作用是快速有效的捕獲目標(biāo)的空間參數(shù)，得到相關(guān)三維點云，為后期的數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。激光掃描儀作為近年來新興的一種高端設(shè)備，由于其具有快速、準(zhǔn)確、高效的特點，所以在無人機航測遙感及攝影測量中得到了較為廣泛的應(yīng)用，并得到了業(yè)內(nèi)人士的高度認(rèn)可。

3.5 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

無人機航測遙感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括以下幾部分內(nèi)容，即系列圖像排序、多相機圖像拼接技術(shù)、數(shù)字圖像融合、1MU/GPS數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波、激光點云絕對定向與融合、多相機合成圖像的空三處理等。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)航測在航拍比例尺度、重疊度、亮度變化、仿射角等問題的嚴(yán)格限制，按照嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型可以處理目前所有面陣航攝膠片相機、組合寬角相機、數(shù)字相機的圖像[1]。

4 差分GPS在無人機航測遙感及攝影測量中的應(yīng)用研究

為了檢驗上述無人機航測遙感系統(tǒng)的整體性能，選取某大學(xué)9km2的實驗區(qū)進行了實驗觀察，精度范圍為cm級，在實驗區(qū)內(nèi)選擇了6條航線，拍攝24張圖像。拍攝比例約為1:6000，地面分辨率約為7.5cm，航向重疊度約為60%。由控制點殘差計算出的空三后的中誤差為：X方向6.6cm，Y方向4.3cm，Z方向11.8cm；最大殘差：X方向10.2cm，Y方向6.7cm，Z方向27.3cm。

通過實驗結(jié)果顯示，高程和平面全實現(xiàn)了預(yù)先的1：2000成像精度要求。通過絕對定向后，不但能夠達到預(yù)先精度要求，而且也能夠達到高程精度。但由于本次測量范圍較小，系統(tǒng)的性能不能完全得到驗證，還需要大量的實驗數(shù)據(jù)分析，以實現(xiàn)對本系統(tǒng)的進一步完善。

5 結(jié)束語

綜上所述，無人機航測遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，給航空攝影測量工作提供了巨大的便利。論文主要介紹了一種差分GPS無人機航測遙感系統(tǒng)，首先對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了分析，并且通過實例對系統(tǒng)的性能進行測試。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具有很好的測量效果，而且測量精度較高、作業(yè)成本低、應(yīng)用范圍廣，所以可以廣泛應(yīng)用于大比例尺航空攝影測量工作中。

[1]周道琴,莊香玉.基于無人機差分GPS航測遙感研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(19):4-5.

Application of Differential GPS in Aerial Photogrammetry, Remote Sensing and Photogrammetry of Unmanned Aerial Vehicle

UAV, the aerial photogrammetry appeared the new development opportunities. The paper describes how to establish efficient system of UAV aerial remote sensing, the efficient application to aerial photogrammetry, and provides reference to the research staff.

UAV; differential GPS; application