消費級無人機數(shù)字攝影測量1∶500成圖應(yīng)用淺析

張海坤 謹雪朝 馬果楨 陳盼盼 岳魁

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000；2.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003；3.山東正元航空遙感技術(shù)有限公司，山東 濟南 250000；4.河南省煤田地質(zhì)局 物探測量隊，河南 鄭州 450000；5.方宇勘測有限公司，河南 鄭州 450000)

1 引言

近年來，消費級電動固定翼無人機取得了較大發(fā)展，以其成本較低，操作、維護簡單等優(yōu)勢，在小范圍航測作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。航測作業(yè)中像控點布設(shè)十分重要，低空無人機獲取的影像有像幅小、像片多、重疊率不規(guī)則和影像傾角過大等特點[3-5]，其成圖精度受地面像控點的分布和數(shù)量影響。本文以消費級天行者X8 航空模型為載機，加載自駕儀與索尼NEX-3N 數(shù)碼相機構(gòu)建一套低成本、易操作、易維護的航空攝影測量系統(tǒng)，以此完成航攝獲取試驗區(qū)影像，并通過不同的像控點布設(shè)方案進行1∶500 航測精度的分析，以驗證構(gòu)建的無人機系統(tǒng)在航測領(lǐng)域的可行性。

2 無人機航測系統(tǒng)簡介

無人機航測系統(tǒng)以Skywalker Tech 公司生產(chǎn)的天行者X8 為載機，使用高放電電流的鋰電池驅(qū)動電動機作為動力設(shè)備，搭載飛控系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備配合地面站和數(shù)據(jù)鏈組成無人機低空航測系統(tǒng)。無人機低空航測系統(tǒng)主要劃分為飛行系統(tǒng)、任務(wù)載荷和地面系統(tǒng)[6]，無人機低空航測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人機低空航測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 飛行系統(tǒng)

無人機飛行系統(tǒng)包括載機、飛控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。無人機載機是所有空中設(shè)備的載體，除機體外還包括執(zhí)行機構(gòu)、伺服系統(tǒng)、動力系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)接收并處理由地面站發(fā)送的控制信息，按照預(yù)設(shè)指令控制無人機飛行并按條件執(zhí)行預(yù)設(shè)命令，包含GPS 模塊、加速度計模塊等傳感器和微處理器。通信系統(tǒng)主要是指飛控系統(tǒng)與地面站進行通信的數(shù)傳電臺，需要無人機載端與地面系統(tǒng)端配套使用。

2.2 任務(wù)載荷

為獲取地面影像數(shù)據(jù),航測無人機一般搭載各種相機作為任務(wù)載荷。由于無人機所能搭載設(shè)備的質(zhì)量較小，一般使用單反或者微單相機進行作業(yè)。由于上述相機不是專用量測相機，在進行航攝作業(yè)前要對相機進行標(biāo)定以求解其內(nèi)方位元素并進行畸變改正。

2.3 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)包括任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，其主要作用是在無人機組裝調(diào)試階段對飛控系統(tǒng)進行調(diào)試設(shè)置,并在飛行過程中保障飛行系統(tǒng)正常工作。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)負責(zé)完成無人機飛行過程中的飛行高度、航向、曝光間隔等航線設(shè)計工作。監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)對無人機飛行狀態(tài)進行監(jiān)控并對飛行任務(wù)臨時進行更改、飛行故障的應(yīng)急處置等。通信系統(tǒng)負責(zé)無人機與地面系統(tǒng)之間的通信，是地面系統(tǒng)對無人機進行任務(wù)規(guī)劃和監(jiān)控的紐帶。

3 無人機數(shù)字攝影測量成圖

3.1 試驗數(shù)據(jù)獲取

試驗區(qū)位于華東地區(qū)，地勢平坦，無明顯高低起伏。采用無人機低空航攝系統(tǒng)，獲取了試驗區(qū)的低空數(shù)碼影像，其航攝作業(yè)參數(shù)如表1 所示。測區(qū)共有8 條航帶332 張影像，航帶排列如圖2 所示。

表1 航攝作業(yè)參數(shù)

圖2 航帶排列圖

3.2 像控點布設(shè)方案

根據(jù)像控點布設(shè)及后續(xù)處理手段的不同，像控點布設(shè)方案分全野外布點和非全野外布點兩種。全野外布點外業(yè)實測點位數(shù)量多、工作量大，一般只適用于精度要求高、小面積區(qū)域或者特殊區(qū)域的航測作業(yè)。非全野外布點按照一定要求在外業(yè)只實測部分控制點，通過空三加密的方式求解一定數(shù)量的加密點和所有像片的外方位元素，能在滿足一定精度的情況下大幅減少實測控制點的數(shù)量，生產(chǎn)中主要使用該方法布設(shè)像控點。

非全野外布點方法又分為區(qū)域網(wǎng)法、航帶網(wǎng)法等，一般采用區(qū)域網(wǎng)法進行像控點布設(shè)[7-9]。在進行布點設(shè)計前，需要綜合考慮原始影像分辨率、成果的精度要求等多種因素，在符合攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范對空三加密精度要求的基礎(chǔ)上，對布點方案進行優(yōu)化設(shè)計。

為驗證不同像控點布設(shè)方案對精度的影響，在本次試驗中按照使用的像控點數(shù)量從少到多共設(shè)計4 種控制點布設(shè)方案。

方案1：在測區(qū)四角分別布設(shè)一個平高控制點。

方案2：在測區(qū)四周及中間部位共布設(shè)9 個平高控制點。

方案3：航向每6 條基線、旁向每2 條航帶布設(shè)1個平高像控點。

方案4：航向每3 條基線、旁向每2 條航帶布設(shè)1個平高像控點。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無人機低空影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理采用Inpho軟件，使用該軟件進行空三加密處理需提供影像文件、相機文件、控制點數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)。相機文件由相機檢校得到，用于提供相機參數(shù)的初始值；控制點數(shù)據(jù)包括實地測量的像控點、檢核點坐標(biāo)及對應(yīng)的刺點圖，將根據(jù)不同的試驗方案導(dǎo)入系統(tǒng)進行處理；POS 數(shù)據(jù)是飛控系統(tǒng)記錄的相機曝光時刻的GPS/IMU 信息，用于排列像片并建立航帶?？杖Y(jié)束后，將Inpho 空三處理結(jié)果導(dǎo)出為PATB 格式，再導(dǎo)入VirtuoZo 軟件，建立立體模型后進行立體數(shù)據(jù)采集，完成DLG 制作[10-11]。

4 精度分析

按照上述4 種像控點布設(shè)方案實地進行像控點測量，在測量像控點的同時選擇一定的地物作為檢核點以評定后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精度，在本次試驗中檢核點為73 個。目前，評價空三平差精度主要看檢查點和內(nèi)業(yè)加密點的精度，分別統(tǒng)計較差和中誤差。中誤差采用公式（1）進行計算。

公式（1）中，m 為點的中誤差，單位為米；Δ 為點的坐標(biāo)較差，單位為米；n 為參與評定精度的點的個數(shù)。

根據(jù)《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》（GB/T 23236—2009）中1∶500 比例尺成圖對空三解算精度的規(guī)定要求，分別對上述4 種方案進行空三平差，平差后像控點平面殘差與高程殘差統(tǒng)計如表2 所示。

表2 試驗區(qū)空三精度統(tǒng)計

表2 中，基本定向點平面位置中誤差，平地、丘陵地不應(yīng)大于0.13m；檢查點平面位置中誤差，平地、丘陵地不應(yīng)大于0.175m；基本定向點高程位置中誤差，平地不應(yīng)大于0.11m，丘陵地不應(yīng)大于0.2m；檢查點高程位置中誤差，平地不應(yīng)大于0.15m，丘陵地不應(yīng)大于0.28m。

5 結(jié)論

根據(jù)航攝條件及不同的像控點布設(shè)方案，可得出結(jié)論：各方案平差后檢核點平面精度相差不大。隨著像控點數(shù)目的增加,平面精度略有改善，表明像控點的布設(shè)方案對平面精度影響較小，像控點的增加與優(yōu)化對平面精度沒有明顯提高。隨著像控點的增加，空三加密后檢核點誤差逐漸逼近像控點殘差，在方案4的基礎(chǔ)上進一步提高像控點布設(shè)密度不會明顯提高空三加密的精度。上述4 種布點方案平面精度均滿足相關(guān)規(guī)范對于平地區(qū)域1∶500 比例尺測繪的要求，但只有方案4的高程精度滿足1∶500比例尺測繪要求。因此，應(yīng)該合理布置像控點，力求達到經(jīng)濟、適用。