天狼星無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖精度分析

孟慶鵬，孫　斌，凌　清

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200030)

攝影測(cè)量在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史中經(jīng)歷了3個(gè)階段，分別為模擬攝影測(cè)量階段、解析攝影測(cè)量階段和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段[1]，如今已經(jīng)全面步入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代。在國(guó)家開放低空空域、深化低空空域管理改革的背景下[2]，小型化的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量開始逐步被測(cè)繪、林業(yè)、礦業(yè)、交通、水利、電力等行業(yè)所接納，并應(yīng)用于大比例尺測(cè)圖、地籍測(cè)量、智慧城市建設(shè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急保障快速測(cè)繪、國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪等項(xiàng)目。然而，大比例尺數(shù)字測(cè)圖要求點(diǎn)位精度高，野外數(shù)據(jù)采集的方法必須準(zhǔn)確可靠[3]。拓普康天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)作為一種新型的航測(cè)技術(shù)，彌補(bǔ)了中低空普通航空大比例尺測(cè)圖出現(xiàn)的不足，成為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取的一種新手段。因此，努力提高量測(cè)精度和作業(yè)水平，是保證航測(cè)大比例尺成圖精度的重要措施[4]。本文通過(guò)天狼星無(wú)人機(jī)進(jìn)行小范圍實(shí)際測(cè)圖，并以1∶500大比例尺測(cè)圖標(biāo)準(zhǔn)為參考對(duì)其測(cè)圖精度驗(yàn)證分析。

1　天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)

天狼星(Sirius PRO)無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)是美國(guó)拓普康定位系統(tǒng)公司研制的高精度無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)，通過(guò)高精度的定位定向系統(tǒng)(position and orientation system，POS)記錄高精度姿態(tài)參數(shù)[5]，可大大節(jié)省整個(gè)航空攝影加密測(cè)圖流暢的工作時(shí)間[6]，能顯著提高作業(yè)速度[7]。它配備有從飛行計(jì)劃、影像獲取、后處理到數(shù)據(jù)分析的全套軟件，屬于微型電動(dòng)固定翼RTK航空測(cè)圖系統(tǒng)。

1.1　無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

拓普康天狼星無(wú)人機(jī)采用了富士XM1相機(jī)、APS-C-X-Trans CMOS傳感器，滿足不同的高精度三維城市建模、高清影像航測(cè)應(yīng)用需求；手拋式起飛，在執(zhí)行航測(cè)飛行任務(wù)和返回著陸過(guò)程中始終保持自動(dòng)駕駛的穩(wěn)定飛行姿態(tài)，抵御不良天氣，保證成像穩(wěn)定并自動(dòng)化操作。

拓普康天狼星將100 Hz RTK模塊集成到無(wú)人機(jī)內(nèi)，在無(wú)人機(jī)航測(cè)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)地面像控的測(cè)量方式，利用實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)固定解具有厘米級(jí)精度的RTK技術(shù)和無(wú)人機(jī)相結(jié)合，實(shí)時(shí)獲取曝光點(diǎn)空間位置達(dá)到無(wú)像控，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)地面控制的高精度、實(shí)時(shí)攝影測(cè)量與遙感[8]，以更便利快捷的方式采集野外數(shù)據(jù)，降低了外業(yè)測(cè)量工作強(qiáng)度，改善了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代，少用地面控制點(diǎn)或無(wú)地面像控不但可以減輕野外測(cè)量強(qiáng)度，縮短作業(yè)周期，而且可以提高航空攝影測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化強(qiáng)度[9]。

1.2　數(shù)據(jù)通信

天狼星的通信模式與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)不同，它的遙控器和連接器采用的是一種獨(dú)立雙通信的鏈路，若其中一條鏈路出現(xiàn)故障，另外一條鏈路也可以提供完整的控制，這種通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)了雙備份的功能，為安全飛行提供了最有力的保障。

1.3　配套軟件

天狼星標(biāo)準(zhǔn)配套軟件主要包括飛行計(jì)劃軟件MAVinci Desktop和影像后處理軟件PhotoScan Pro。利用這兩種主配套軟件，用戶通過(guò)一鍵式后處理接口，取得數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和點(diǎn)云3種不同類型的生產(chǎn)結(jié)果。不僅如此，用戶還可選擇多種數(shù)據(jù)加工和編輯平臺(tái)滿足不同的需求，實(shí)現(xiàn)等高線生成、體積量計(jì)算、DLG編輯、虛擬測(cè)量等不同功能。

2　拓普康天狼星無(wú)人機(jī)1∶500地形圖施測(cè)

2.1　項(xiàng)目測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于上海市崇明區(qū)某農(nóng)田附近。測(cè)量面積為0.058 km2，測(cè)區(qū)大部分為水田，中間交叉鄉(xiāng)村水泥小路，交通條件便捷，地勢(shì)起伏平緩，植被主要為水稻、草地和蘆葦，通視條件較好。

2.2　作業(yè)航飛

根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)狀及天狼星無(wú)人機(jī)成圖比例尺1∶500 測(cè)圖精度驗(yàn)證分析需求，選擇目標(biāo)區(qū)域和期望的地面采樣距離后，飛行計(jì)劃軟件Desktop自動(dòng)創(chuàng)建獨(dú)立的飛行計(jì)劃，飛行相對(duì)航高127 m，地面分辨率3 cm，航向重疊率80%，旁向重疊度70%，設(shè)計(jì)航線手拋式起飛進(jìn)行航測(cè)數(shù)據(jù)采集。

在航飛之前，為檢驗(yàn)航測(cè)精度，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)噴繪擺設(shè)10處50 cm×50 cm的十字檢測(cè)靶標(biāo)，均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)，用每個(gè)檢測(cè)靶標(biāo)中心點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)。使用測(cè)區(qū)附近D級(jí)GPS控制網(wǎng)的控制點(diǎn)作為控制基礎(chǔ)，坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系，3°帶投影，中央經(jīng)線121.466 667°E，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。為保證檢測(cè)點(diǎn)自身精度，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行3次采集，取其平均值作為最終成果[10]。

2.3　數(shù)據(jù)處理

攝影測(cè)量大數(shù)據(jù)的處理是現(xiàn)階段攝影測(cè)量迫切需要解決的問(wèn)題[11]，天狼星無(wú)人機(jī)對(duì)此作了很大的改善。本次項(xiàng)目航飛完成后，通過(guò)MAVinci Desktop進(jìn)行高精度POS數(shù)據(jù)下載和航飛影像的自動(dòng)匹配；然后導(dǎo)入PhotoScan Pro數(shù)據(jù)處理軟件，它是由俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件，根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，可以對(duì)任意照片進(jìn)行處理[12]，無(wú)需控制點(diǎn)，無(wú)需人工干預(yù)[13]，實(shí)現(xiàn)航測(cè)成果中DOM和DEM產(chǎn)品的自動(dòng)生成；生產(chǎn)結(jié)果疊加后導(dǎo)入清華三維EPS 3DSurvey中進(jìn)行“裸眼畫3D”的新型工作模式立體測(cè)圖。本文項(xiàng)目測(cè)區(qū)航飛時(shí)間為9 min，航攝167張影像，軟件處理匹配時(shí)間1 h 7 min，校準(zhǔn)優(yōu)化時(shí)間5 min 46 s，密集點(diǎn)數(shù)量16 012 906個(gè)，深度過(guò)濾處理時(shí)間12 min 45 s，重建測(cè)區(qū)DEM，如圖1所示。

圖1　重建DEM

3　精度檢核分析

從本次項(xiàng)目Agisoft PhotoScan+MAVinci插件的處理報(bào)告中獲悉航攝日志相關(guān)參數(shù)，可以反映相機(jī)位置精度。在后處理得到正射影像和DSM后，從正射影像上量測(cè)了均勻分布的10個(gè)標(biāo)志檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并在DSM上量測(cè)了對(duì)應(yīng)的高程，對(duì)天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)平面精度和高程精度進(jìn)行了檢驗(yàn)。

3.1　相機(jī)位置和誤差估計(jì)分析

天狼星無(wú)人機(jī)的POS系統(tǒng)作為航空攝影測(cè)量系統(tǒng)的基準(zhǔn)傳感器，集慣性導(dǎo)航技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)于一體，可實(shí)時(shí)獲取載體位置姿態(tài)。POS系統(tǒng)輔助航空攝影測(cè)量，獲得高精度定位定向信息[14]，其優(yōu)越性能獲得了測(cè)繪領(lǐng)域高度認(rèn)同。本文通過(guò)對(duì)相機(jī)位置的誤差估計(jì)以反映其精度。如圖2所示，可以直觀形象地反映誤差的大小及分布情況，Z誤差由橢圓的顏色表示，X、Y的誤差由橢圓的形狀表示，估計(jì)的相機(jī)位置用一個(gè)黑點(diǎn)標(biāo)記。

圖2　相機(jī)位置和誤差估計(jì)解析

表1反映的是圖2整體的平均誤差統(tǒng)計(jì)，線元素X、Y的平均位置誤差在2 cm內(nèi)，Z的平均位置誤差小于3 mm，可以滿足1∶500大比例尺測(cè)圖的精度要求。

表1　相機(jī)位置平均誤差　m

3.2　平面精度

3.2　高程精度

表2　平面數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果　m

表3　高程數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果　m

注：H1指靶標(biāo)中心點(diǎn)RTK技術(shù)實(shí)測(cè)高程；H2指DEM檢測(cè)點(diǎn)獲取對(duì)應(yīng)靶標(biāo)中心點(diǎn)高程。

4　結(jié)　語(yǔ)

天狼星無(wú)人機(jī)作業(yè)成本低，自動(dòng)化程度高，在采集像片的同時(shí)同步完成控制點(diǎn)的布設(shè)，取代了傳統(tǒng)的地面控制點(diǎn)，一次飛行采集的控制點(diǎn)平面和高程精度都是RTK厘米級(jí)精度，借助RTK技術(shù)可以獲取高精度航空制圖成果，顯著減輕了野外作業(yè)強(qiáng)度，為航測(cè)工作提供了更多便利。本文通過(guò)對(duì)天狼星無(wú)人機(jī)實(shí)際測(cè)圖數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析發(fā)現(xiàn)，其滿足1∶500大比例尺測(cè)圖要求，進(jìn)一步證明了天狼星無(wú)人機(jī)的實(shí)用性和可靠性，值得推廣和應(yīng)用。

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