輕小型無(wú)人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)的測(cè)量精度分析

袁旭 張?jiān)鲇?劉大海

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，輕小型無(wú)人機(jī)在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時(shí)間、飛行品質(zhì)上有了明顯突破，在各行各業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在測(cè)繪行業(yè)成為新興的遙感手段。

輕小型無(wú)人機(jī)與有人機(jī)相比，具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快捷、精細(xì)準(zhǔn)確、安全可靠、省錢(qián)節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：具有極高的機(jī)動(dòng)性，在速度、范圍等方面，是有人飛行器無(wú)法比擬的；具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，無(wú)需專(zhuān)用起降場(chǎng)，對(duì)氣象條件要求低，優(yōu)越的低空性能讓云下作業(yè)變得輕而易舉，大大提高了工作效率；具有極好的經(jīng)濟(jì)性，價(jià)格低廉，不需載人升空。精度一直是測(cè)繪產(chǎn)品的關(guān)鍵，本文對(duì)無(wú)人機(jī)航拍測(cè)圖精度展開(kāi)分析，對(duì)實(shí)際作業(yè)中的控制方法進(jìn)行了論述。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

2 輕小型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

受載重影響，無(wú)人機(jī)難以有效搭載常規(guī)航攝儀完成航空攝影，因此，無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)和機(jī)載數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)等數(shù)字遙感設(shè)備進(jìn)行拍攝和記錄，通過(guò)遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析處理影像，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面信息的實(shí)時(shí)調(diào)查與監(jiān)測(cè)。一個(gè)完整的無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)包括空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊、地面監(jiān)控模塊。其中，空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊主要包括無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)、遙感器系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其主要功能是控制無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)按照既定航線平穩(wěn)飛行，并將飛行狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)孛?；地面監(jiān)控模塊是發(fā)送飛行狀態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)獲取命令，接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要包括數(shù)據(jù)的接收與狀態(tài)監(jiān)控、地面控制命令模塊[1]。無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成如圖1所示。

現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)主要包括無(wú)人固定翼飛機(jī)平臺(tái)、無(wú)人直升機(jī)平臺(tái)、無(wú)人飛艇平臺(tái)等。本文采用的是丹麥SKY-WATCH公司生產(chǎn)的“積云一號(hào)”航拍專(zhuān)用無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)外形尺寸為：165cm×110cm×35cm；驅(qū)動(dòng)方式為：鋰電池，16.8V 8600mAh；載體模式：固定翼 ；飛行時(shí)間：帶PPK模塊情況下，可以飛行90分鐘 ；測(cè)量精度范圍：5cm精度下，單架次可飛行5平方公里，時(shí)速可達(dá)50 km/h，飛行高度最高可達(dá) 2000m，可抗6級(jí)風(fēng)力，起飛重量為2kg。采用手拋起飛，自主減速降落。

2.2 傳感器特性

此次作業(yè)采用的遙感傳感器是日本SONY公司生產(chǎn)的DSC-RX100M3專(zhuān)業(yè)相機(jī)。該相機(jī)是高質(zhì)量可見(jiàn)光與近紅外相機(jī)，具有操作穩(wěn)定、堅(jiān)固耐用、高精度和大容量性能等特點(diǎn)，可適用于惡劣環(huán)境。多光譜相機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)為：2010萬(wàn)像素1英寸ExmorR背照式CMOS傳感器（5472×3648像素）；BIONZ X影像處理器；卡爾蔡司超廣角鏡頭；全新的等效24-70mm f/1.8-2.8鏡頭；內(nèi)置EVF取景器；可提供64GB的機(jī)上存儲(chǔ)設(shè)備。

3 輕小型無(wú)人機(jī)航空攝影

3.1 外業(yè)航拍

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，輕小型無(wú)人機(jī)的飛行品質(zhì)已經(jīng)有了較大提升。但與傳統(tǒng)航空攝影獲取的影像相比，輕小型無(wú)人機(jī)在影像重疊度、影像旋偏角、航線彎曲度等方面還有一定差距。

（1）與傳統(tǒng)航攝相比，輕小型無(wú)人機(jī)航攝面積小，在航線設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮地球曲率變化，一般情況下計(jì)算基準(zhǔn)面高程可簡(jiǎn)化為在攝區(qū)最大、最小高程值平均值的基礎(chǔ)上適當(dāng)修改，在無(wú)攝區(qū)DEM或地形圖條件下仍能快速設(shè)計(jì)航線。

（2）傳統(tǒng)航空攝影在航向和旁向重疊度上有嚴(yán)格的技術(shù)要求，而輕小型無(wú)人機(jī)主要保證有效航向和旁向重疊，即在保證滿足攝區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)分辨率和最高點(diǎn)重疊度符合數(shù)據(jù)處理要求的前提下，盡量規(guī)范重疊度指標(biāo)。因此，在像片重疊度的技術(shù)指標(biāo)上有所放寬，航向重疊度一般為60%～80%，最小不小于53%，旁向重疊度一般為15%～60%，最小不小于8%。

（3）在航攝過(guò)程中，部分無(wú)人機(jī)使用了旋偏改正裝置，但限于飛行平臺(tái)變化頻度高、頻率快，難以全程快速實(shí)現(xiàn)旋偏改正，故實(shí)際作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)旋偏角大于15°的情況，航攝規(guī)范改變了數(shù)字航空攝影旋偏角的檢查方法，將旋偏角檢查改為旋角和傾角的分別檢查[2]。

（4）輕小型無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了GPS輔助航空攝影，飛行平臺(tái)硬件上集成雙頻GPS，在飛行時(shí)精確記錄曝光時(shí)刻的位置信息，通過(guò)事后差分解算，得出每個(gè)曝光時(shí)刻攝影中心X、Y、Z 方向的坐標(biāo)，航攝流程上通過(guò)飛行構(gòu)架航線，減少攝影測(cè)量成圖所需的外業(yè)像控點(diǎn)。

3.2 像控測(cè)量

輕小型無(wú)人機(jī)像控測(cè)量與傳統(tǒng)航空攝影像控測(cè)量最大的不同之處在于，像控點(diǎn)的布設(shè)方案存在差異。2010年，國(guó)家測(cè)繪地理信息局頒布的《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》，明確了像片控制點(diǎn)航向基線數(shù)跨度和旁向相鄰平面控制點(diǎn)的航線跨度。

GPS輔助航空攝影空三加密解算時(shí)，4個(gè)控制點(diǎn)精度趨于穩(wěn)定，完全滿足1∶5000比例尺地形圖丘陵地精度等級(jí)；加飛構(gòu)架航線的GPS輔助航空攝影只需2個(gè)以上控制點(diǎn)，基本能滿足 1∶2000比例尺地形圖丘陵地精度等級(jí)。在平原地區(qū)，均勻增加布設(shè)像控點(diǎn)能提高航測(cè)精度。

4 項(xiàng)目區(qū)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)于2017年在偃師市城南伊洛河項(xiàng)目進(jìn)行。項(xiàng)目區(qū)多為平原地帶，地理坐標(biāo)為34.39°N、112.42°E。項(xiàng)目區(qū)面積約為2000m×1500m。按照1∶1000比例尺地形圖精度要求施測(cè)。

4.1 航線規(guī)劃

用南方公司的銀河6型GPS采集測(cè)區(qū)范圍點(diǎn)坐標(biāo)，得到項(xiàng)目區(qū)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，采用積云一號(hào)小型無(wú)人機(jī)作業(yè)，飛行設(shè)定高度約為260m，航向重疊度和旁向重疊度均為70%，進(jìn)行垂直拍攝，地面分辨率為6cm。

以無(wú)人機(jī)作業(yè)前的起始點(diǎn)為原點(diǎn)、東西方向?yàn)閄軸、南北方向?yàn)閅軸，建立直角坐標(biāo)系，將頂點(diǎn)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化成米制，作業(yè)區(qū)域面積S為4平方公里。首先指定航向角α分別為0、45°、90°、135°，通過(guò)算法模擬分別獲得相應(yīng)的規(guī)劃航線。根據(jù)公式（1）可得4種作業(yè)情況下的多余覆蓋率，其中，ε為無(wú)人機(jī)作業(yè)多余覆蓋率，S為作業(yè)區(qū)域面積[3]。

4種作業(yè)情況下，α ＝0時(shí)對(duì)應(yīng)的飛行總距離、覆蓋面積和多余覆蓋率均較小，即能量消耗較小。航向角α從0到180°，以每次遞增5°的方式，繼續(xù)航線規(guī)劃仿真，以得到飛行總距離和多余覆蓋率最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的作業(yè)航向角。模擬結(jié)果表明，當(dāng)作業(yè)航向角α ＝100°（根據(jù)測(cè)區(qū)形狀的變化而變化），并獲取相應(yīng)的作業(yè)規(guī)劃航線時(shí)，理論總飛行距離和覆蓋面積達(dá)到了能耗的最優(yōu)化，因此，以最優(yōu)方案規(guī)劃本次航線。航線規(guī)劃圖如圖2所示。

圖2 航線規(guī)劃圖

4.2 像控點(diǎn)測(cè)量

本次采用的積云一號(hào)無(wú)人機(jī)加載了GPS-PPK模塊，即動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GPS定位技術(shù)，其工作原理為：利用同步觀測(cè)的1臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和至少1臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量，然后利用GPS處理軟件進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波觀測(cè)量值，確定接收機(jī)之間厘米級(jí)的相對(duì)位置，然后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。

為了提高航拍模型精度，本次在測(cè)區(qū)內(nèi)按照1000米間距網(wǎng)格布設(shè)像控點(diǎn)，共布設(shè)6個(gè)像控點(diǎn)、3個(gè)平高點(diǎn)，并用GPS實(shí)測(cè)了4個(gè)檢查點(diǎn)及30個(gè)地形點(diǎn)三維坐標(biāo)，為復(fù)核三維成果模型精度做準(zhǔn)備。

4.3 航拍模型精度分析

4.3.1 無(wú)人機(jī)航攝誤差

固定翼無(wú)人機(jī)航空測(cè)量系統(tǒng)，在進(jìn)行地形測(cè)量時(shí)存在測(cè)量誤差。這些誤差主要為儀器誤差、人為誤差，以及氣候等外界因素影響產(chǎn)生的誤差。

（1）儀器誤差：是指儀器設(shè)計(jì)、制作不完善或經(jīng)校驗(yàn)還存在殘余誤差。這部分誤差主要是傳感器量化過(guò)程帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

航測(cè)內(nèi)業(yè)測(cè)量高程中誤差會(huì)隨著像片傾角的增大而增大；當(dāng)像片傾角小于3°時(shí)，高程精度能夠充分滿足規(guī)范要求的精度。

因受到無(wú)人機(jī)載重及體積影響，難以有效搭載常規(guī)航攝儀完成航空攝影；而感光單元中出現(xiàn)非正方形因子與非正交性畸變差，會(huì)造成測(cè)量高程精度難以滿足需求。

（2）人為誤差：是指由于人的感官鑒別能力、技術(shù)水平和工作態(tài)度，以及像控識(shí)別、空三加密、立體采集而產(chǎn)生的人為誤差。

（3）外界因素影響產(chǎn)生的誤差：天氣狀況對(duì)飛行器姿態(tài)和成像質(zhì)量的影響而產(chǎn)生的誤差。

以像素為單位，標(biāo)稱(chēng)分辨率為0.06m，一個(gè)像素相當(dāng)于地面6cm×6cm的范圍。由于儀器誤差引起的畸變差、天氣外界因素影響等，實(shí)際分辨率已接近0.08m，也就是說(shuō)，在進(jìn)行航測(cè)作業(yè)前，航片的精度大約為8cm。

4.3.2 改進(jìn)方法

（1）改進(jìn)無(wú)人機(jī)性能

要提升無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自身性能，加強(qiáng)對(duì)外界干擾因素的抵抗力，減小像片傾角，有效提升飛行階段的飛行安全性與穩(wěn)定性，定期對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和航攝系統(tǒng)進(jìn)行檢修與維護(hù)，以減少儀器誤差。此外，在安裝航攝系統(tǒng)時(shí)，必須嚴(yán)格依據(jù)有關(guān)技術(shù)指導(dǎo)完成，讓相機(jī)CCD陣面短邊和航行方向垂直，在一定程度上有效提升高程精度。

（2）高程二次定向方法

實(shí)踐過(guò)程中，運(yùn)用空三得到外方位元素，有效恢復(fù)立體模型。在進(jìn)行像片傾角相對(duì)較大的立體模型絕對(duì)定向時(shí)，雖然絕對(duì)定向誤差殘差比較小，但全野外測(cè)量高程點(diǎn)難以精確恢復(fù)至被量測(cè)地物表面。經(jīng)過(guò)分析與研究，這主要是因?yàn)橄衿瑑A角超限，運(yùn)用PATB光束法平差反算后，此類(lèi)型像片外方位元素中三個(gè)角元素不準(zhǔn)確引起的。

針對(duì)像片傾角的超限立體像，可以運(yùn)用空中三角測(cè)量實(shí)現(xiàn)加密平差，反算出野外高程控制點(diǎn)的相應(yīng)平面坐標(biāo)；在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作中恢復(fù)立體模型；要?jiǎng)h除加密時(shí)的模型連接點(diǎn)，保留野外所有像片控制點(diǎn)的測(cè)量；立體狀態(tài)下，需要重新觀測(cè)野外的所有控制點(diǎn)高程；重新進(jìn)行絕對(duì)定向，計(jì)算出傾角超限像片中的6個(gè)外方位元素；立體采集核線。上述方法被稱(chēng)為高程二次定向，也就是重新創(chuàng)建立體模型，完成信息數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)把此超限立體模型的相應(yīng)高程誤差有效控制在1/3等高距之內(nèi)，從而有效提升高程測(cè)量精度[4]。

（3）加強(qiáng)人員培訓(xùn)

日常工作中，要加強(qiáng)培訓(xùn)，提高航測(cè)內(nèi)外業(yè)人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平及質(zhì)量責(zé)任心。外業(yè)作業(yè)時(shí)，盡量選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣，保證無(wú)人機(jī)飛行的姿態(tài)穩(wěn)定。

4.3.3 航測(cè)模型精度分析

像控點(diǎn)刺點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。實(shí)測(cè)點(diǎn)與航拍模型點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差檢測(cè)表如表2所示，中誤差計(jì)算：n=10個(gè)，[VV]=0.398m，M=±√[VV]/n=0.06m，滿足大比例尺地形圖測(cè)量規(guī)范精度要求。

表1 像控點(diǎn)刺點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

5 主要技術(shù)問(wèn)題

采用輕小型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取遙感圖像主要存在以下問(wèn)題：

（1）輕小型無(wú)人機(jī)體積較小，飛行作業(yè)時(shí)受風(fēng)力影響較大，難以承受過(guò)大的載荷，且續(xù)航時(shí)間不長(zhǎng)。（2）受載荷能力和成本等因素的限制，目前輕小型無(wú)人機(jī)大多安裝低精度的導(dǎo)航系統(tǒng)和平衡控制系統(tǒng)，使飛行姿態(tài)難以精確。（3）不精確的航向重疊率和航線彎曲度設(shè)置，導(dǎo)致輕小型無(wú)人機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的重拍、漏拍現(xiàn)象。（4）獲取的數(shù)據(jù)量大、圖像無(wú)規(guī)律、像幅小，增加了圖像校正、匹配、拼接等處理難度。（5）無(wú)人機(jī)和遙感設(shè)備產(chǎn)生的誤差、人為誤差及遙感數(shù)據(jù)本身帶來(lái)的誤差較大。

表2 實(shí)測(cè)點(diǎn)與航拍模型點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差檢測(cè)表

6 結(jié)語(yǔ)

輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)流程的步驟多，內(nèi)定向是一個(gè)重要過(guò)程，大比例尺DLG高程的精度控制是一個(gè)難點(diǎn)。但從航攝工作實(shí)踐來(lái)看，只要控制好航攝及航測(cè)內(nèi)外業(yè)過(guò)程，就可以讓航測(cè)平面及高程精度達(dá)到規(guī)范要求。大比例尺測(cè)圖，對(duì)高程精度要求較高，在航攝設(shè)計(jì)中不能只簡(jiǎn)單考慮符合規(guī)范的像片比例尺、GSD，還要綜合考慮相機(jī)的像素、像幅大小及重疊度等因素，要盡量選擇寬像幅視場(chǎng)角比較大、像素小的航攝相機(jī)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK提高航測(cè)外業(yè)效率與航攝精度。