旋翼無人機在城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤測量中的應用

郜懷龍

(廣東省地震工程勘測中心，廣東廣州 510000)

0 引言

城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤項目是通過建新拆舊和土地整理復墾等措施，保證在項目區(qū)內(nèi)各類土地面積平衡，該項目測量區(qū)域為離散的小面積地塊。傳統(tǒng)的航空攝影測量多以固定翼飛機微平臺，其飛行成本高，機動性差，只適用于大面積連續(xù)的正射影像獲取，針對以上問題，本文提出了利用小型旋翼無人機搭載微單相機，分別獲取離散地形的正射影像圖，并以實際案例進行了精度分析對比，驗證了該方法的可行性。

1 基于旋翼無人機的正射影像獲取

1.1 相機檢校及其原理

基于多旋翼無人機平臺搭載微單相機，由于是非專業(yè)的測量相機，會存在徑向畸變差和偏心畸變差［1］，因此對微單相機的檢校尤為必要，通過一定的數(shù)學模型測定相機的內(nèi)方位元素，即確定相機的主點位置(x，y)和主距f。

確定相機內(nèi)方位元素的方法有最小二乘的測角法、元素分解法［2］、后方交會法，本文利用空間后方交會測定相機的內(nèi)方位元素，該方法基于共線方程原理，將像點坐標作為已知值，解算相機的內(nèi)方位元素，顧及改正項的共線方程式為:

以像點坐標作為已知值，通過三個以上的像點坐標代入共線方程式，可以列出誤差方程式:

其中，XAD為附加參數(shù);XI為內(nèi)方位元素;XE為影像外方位元素。

1.2 像控點布設及航空攝影

低空攝影測量中像控點的布設遵循從整體到局部，由外圍到內(nèi)部，密度合理，均勻布設的原則［3］，首先對測區(qū)概況踏勘，為測區(qū)外圍進行布點，綜合測區(qū)內(nèi)部的地勢進行布點測量［4］，并盡量均勻分布于不同地勢地貌中。基于旋翼無人機搭載單反相機用于獲取小范圍的影像圖，制圖區(qū)域在20畝以內(nèi)，不需要進行多張影像圖的重疊度設計，可以根據(jù)測區(qū)范圍設計攝影基準面高度，從測區(qū)的中心位置起飛獲取影像圖。

2 影像配準及空三加密

影像匹配即是將航攝的影像與實地坐標進行匹配，由于在正射影像獲取時飛行平臺的姿態(tài)傾斜、地形起伏等變化會引起正射影像圖的形變，產(chǎn)生諸如行列不均勻、像元大小與地面大小對應不準，地物形狀不規(guī)則變化等，因此在進行影像匹配時要對影像圖進行幾何校正后，才能對圖像信息進行分析，制作滿足測量和定位要求的數(shù)字線劃圖。

本文利用有理函數(shù)模型［5］(RFM)對正射影像圖進行幾何校正，該種解算方法已在ERDAS中較為成熟的應用，其解算精度高。

其中，(r，c)為像點坐標;(X，Y，Z)為對應實地點的空間坐標，多項式中每一項的各個坐標分量X，Y，Z的冪不超過3，每一項各個地面坐標分量的冪的總和不超過3，每個多項式形式為:

其中，X，Y，Z均為已知值作為式中的自變量，代入多項式中解算系數(shù)aijk。

使用空三加密方法，利用少量的野外控制點，進行控制點加密，可以有效提高作業(yè)效率。獨立模型法利用空間相似變換的理論模型，在整體的測量區(qū)域內(nèi)，用平差的方法確定影像圖在區(qū)域中的最或然位置，計算出模型轉換的七參數(shù):3個平移參數(shù)、3個旋轉參數(shù)、1個比例參數(shù)，然后利用七參數(shù)解算加密點大地坐標(XD，YD，ZD)，在旋翼無人機航攝中可以通過一張影像覆蓋測量區(qū)域，在解析空中三角測量時使用獨立模型法可以快速高效的進行控制點加密，見下式。

其中，(X，Y，Z)為像控點的模型坐標;(XT，YT，ZT)為對應像控點的地面坐標;(X0，Y0，Z0)為模型平移的三個分量，為模型縮放比例尺因子。

3 影像判讀及外業(yè)補測

利用匹配好的正射影像圖在南方CASS成圖軟件中對影像圖進行矢量化，將匹配好的影像圖導入到程序中，根據(jù)判讀出的地形地貌，進行點狀要素、線狀要素的繪制，并將繪制的點、線矢量圖進行屬性分類，并依據(jù)屬性分設不同的屬性圖層。

在野外調(diào)繪前先將影像圖與內(nèi)業(yè)矢量化的DLG進行疊加，噴繪出圖制作出外業(yè)調(diào)繪片，依據(jù)調(diào)繪片進行野外調(diào)繪作業(yè)，在野外調(diào)繪前先對測區(qū)進行了解，制定作業(yè)順序，按照從左到右，從上到下順序進行，重點對內(nèi)業(yè)中標記的遮擋區(qū)域和模糊區(qū)域進行調(diào)繪補測，在野外調(diào)繪完成后，逐片、逐段、逐項仔細認真的清繪，確保外業(yè)調(diào)繪的工作質量。

4 實例應用

4.1 項目概況

航測的區(qū)域是2016年河源市連平縣建設用地增減掛鉤項目，有13個地塊需要測量，東西跨度12 km，南北跨度8 km，總共面積692畝。項目要求達到1∶2 000地形圖測量精度。

本次實驗使用的是大疆無人機PHANTOM4PRO型號，屬于專業(yè)級四軸飛行器，懸停精度，垂直:±0.1 m，水平:±0.3 m;搭載ILCE-7M2索尼相機。對測量區(qū)域逐個進行航拍，利用CASS軟件對匹配好的影像圖進行矢量化。

4.2 精度對比

從圖中選擇可以明顯識別的地物點12個進行檢測，使用天寶4600雙頻RTK搭配強制對中桿，利用四參數(shù)+高程擬合模型解算出測區(qū)的轉換參數(shù)，并對選出的8個地物點進行測量，與線劃圖中的地物點坐標進行精度對比，見表1。

表1 實測坐標與圖紙坐標較差

表1的數(shù)據(jù)對比中可以看出，平面檢測結果中較差最大ΔX=87 mm，ΔY=65 mm，利用誤差方程式解算出中誤差Mx=35 mm，My=20 mm，誤差在測圖的允許限差范圍內(nèi)，精度能夠滿足1∶2 000地形圖測量要求。

5 結語

本文提出了基于多旋翼無人機平臺搭載高分辨率單反相機，獲取測量區(qū)域正射影像圖的方法，文中介紹了該方法的工作原理，并通過實際案例證明:該方法是一種高效率、低成本的測繪方法，其測量精度能夠滿足1∶2 000地形圖標準，有效解決固定翼無人機在小范圍分散地形測量低效率、不靈活、高成本的問題。