低空無人機大比例尺測圖精度分析

盧 偉

(廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，廣東江門 529000)

1 引 言

當前，無人機低空攝影測量系統(tǒng)已在全國范圍內(nèi)大力推廣。無人機低空攝影測量在應(yīng)急測繪保障、新農(nóng)村建設(shè)用地測繪、復(fù)雜困難地區(qū)測繪、國土資源利用監(jiān)測等應(yīng)用方面具有特殊優(yōu)勢，且取得了良好的社會和經(jīng)濟效益[1]。相關(guān)科研單位建立了完善的無人機航測服務(wù)體系，能夠提供數(shù)據(jù)處理軟硬件設(shè)施、技術(shù)培訓(xùn)、售后服務(wù)等一整套服務(wù)，解決了生產(chǎn)單位的后顧之憂[2]。在像片解算方面，國內(nèi)普遍采用的是經(jīng)過檢校的非量測型數(shù)碼像機，其利用GPS/IMU定位導(dǎo)航系統(tǒng)定點曝光，通過POS輔助空三解算像片的外方位元素。而目前無人機搭載的五鏡頭像機，一次飛行能夠獲取5個方向的照片數(shù)據(jù)，可通過建模來實現(xiàn)三維方向立體成圖[3-5]。

本文結(jié)合實際工程項目，闡述了光束法區(qū)域網(wǎng)平差的整體流程，對無人機低空攝影測量影像進行內(nèi)業(yè)處理，實現(xiàn)了無人機低空攝影測量成圖全流程，并且對像控點精度、地物地貌精度進行驗證。精度驗證結(jié)果表明，低空無人機攝影測量技術(shù)能滿足大比例尺地形圖測繪的精度要求。

2 低空無人機系統(tǒng)組成

無人機遙感系統(tǒng)一般由飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)及地面保障裝備等7部分組成。

飛行平臺就是無人機本身，是搭載導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼像機等儀器的載體。為了滿足航空攝影測量任務(wù)的需要，無人機的載荷一般要大于2 kg，飛行速度一般要達到60～160 km/h，飛行時間不低于2 h，并且能夠抵御4級風(fēng)的影響[6]。

飛行控制系統(tǒng)是飛機上導(dǎo)航、定位和自主飛行控制的設(shè)備，飛行控制系統(tǒng)的重量應(yīng)小于2 kg。機載飛行控制系統(tǒng)主要包括飛控板、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GNSS接收機、氣壓傳感器、空速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等部件。系統(tǒng)除具備GNSS/INS慣性導(dǎo)航功能外，為適應(yīng)攝影測量的需要，飛行姿態(tài)控制橫滾角、俯仰角、航向角誤差均應(yīng)小于±3°，航跡控制精度中偏航距、航高均差應(yīng)小于±20 m，直線段航跡彎曲度應(yīng)小于±5°[7]。由于無人機平臺普遍配備GNSS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，POS輔助空中攝影測量在無人機低空攝影測量中得到了廣泛應(yīng)用。

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線電遙控器、RC接收機、監(jiān)控計算機以及配套的相關(guān)軟件等組成。雖然無人機可以在自動駕駛儀的控制線進行自動作業(yè)，但時常會出現(xiàn)發(fā)動機故障、飛機失速等問題，需要地面監(jiān)控系統(tǒng)時刻監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)[8]。

任務(wù)設(shè)備是無人機進行航測作業(yè)系統(tǒng)所使用的數(shù)碼像機以及其控制系統(tǒng)等相關(guān)的附設(shè)裝置，主要用于獲取和存儲航空影像。數(shù)碼像機應(yīng)具備電子快門，且快門速度要快于1/1 000 s。數(shù)碼像機的控制系統(tǒng)要具備等時差、等間距、定點曝光控制功能，并能記錄數(shù)碼像機曝光時刻像機投影中心的位置以及姿態(tài)信息[9]。數(shù)碼像機控制系統(tǒng)可以單獨配置，也可與飛行控制系統(tǒng)集成。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由機載部分和地面部分組成，用于地面監(jiān)控系統(tǒng)與無人機之間的通信。在空地之間沒有遮擋的情況下，通信有效距離需大于10 km。發(fā)射系統(tǒng)負責通過滑跑或者彈射的方式放飛無人機。采用滑跑起飛方式 ，一般要求在60～100 m距離內(nèi)達到起飛速度并升空。在回收方面，如果條件允許，無人機可采用滑行回收系統(tǒng)。如果場地不允許，無人機可采用彈射起飛、傘降回收的方式作業(yè)。

地面保障設(shè)備包括運輸保障設(shè)備和航攝作業(yè)保障設(shè)備。運輸保障設(shè)備是指用于無人機航攝系統(tǒng)設(shè)備和部件運輸保障的包裝運輸箱，系統(tǒng)主要設(shè)備和易損部件應(yīng)配備專用包裝運輸箱。航攝作業(yè)保障設(shè)備主要是指野外裝備，這是保障無人機航攝工作正常開展所需的設(shè)備器材，其種類和數(shù)量根據(jù)實際需求確定。

3 解析法空中三角測量

3.1 基本流程

目前投入使用的無人機航測系統(tǒng)基本上都搭載了POS系統(tǒng)，雖然獲取的POS數(shù)據(jù)不能用于POS輔助空中三角測量，但獲得的粗略POS信息可以用來識別航帶，用作相對定向循環(huán)解算的初始值，這樣可以加快收斂。收集現(xiàn)有的地形圖和布設(shè)地面控制點作為控制依據(jù)和最后精度評價的檢驗點。由于無人機上搭載的是普通數(shù)碼像機，而不是專業(yè)的量測像機，內(nèi)部畸變非常大，所以在相對定向前要進行像機標定。像機標定是非常重要的步驟，關(guān)系到后面匹配的精度，進而影響空三解算的結(jié)果。無人機低空攝影測量系統(tǒng)解析空中三角測量的具體流程如圖1所示。

圖1 解析空中三角測量流程Fig.1 Process of analytical photogrammetric aerial triangulation

3.2 解析空中三角測量原理

解析空中三角測量是指用計算的方法，根據(jù)遙感像片上量測的像點坐標和少量地面控制點，采用較嚴密的數(shù)學(xué)公式，依據(jù)最小二乘法原理，用計算機解算待定點的平面坐標和高程。解析空中三角測量目前常用的方法是區(qū)域網(wǎng)平差。區(qū)域網(wǎng)平差是指在由多條航線連接成的區(qū)域內(nèi)進行控制點加密，并對加密點的平面坐標和高程進行整體平差。將構(gòu)網(wǎng)的方法和平差單元作為劃分依據(jù)，區(qū)域網(wǎng)平差的基本方法包括航帶法、獨立模型法和光束法[10]。

在上述三種方法中，航帶法所求解的未知數(shù)少，計算方便快速，但是不如光束法和獨立模型法嚴密，因此主要用于為光束法提供初始值和低精度的坐標加密；獨立模型法理論較嚴密，精度較高，未知數(shù)、計算量和計算速度介于光束法和航帶法之間；光束法理論最為嚴密，加密成果的精度較高，但需要解求的未知數(shù)多，計算量大，計算速度較慢。當前高精度空中三角測量加密普遍采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差。由于本次數(shù)據(jù)處理采用的是光束法區(qū)域網(wǎng)平差，故對此方法進行著重介紹。

3.3 光束法區(qū)域網(wǎng)平差

光束法區(qū)域網(wǎng)平差以一張像片組成的一束光線作為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的數(shù)學(xué)模型，以相鄰像片公共交會點坐標相等、控制點的內(nèi)業(yè)坐標與已知的外業(yè)坐標相等為條件，列出控制點和加密點的誤差方程式，進行全區(qū)域統(tǒng)一平差計算，解求出每張像片的外方位元素和加密點的地面坐標。

圖2 光束法區(qū)域網(wǎng)平差示意圖Fig.2 Diagram of area adjustment with bundle method

光束法區(qū)域網(wǎng)平差的主要步驟如下：

1)確定像片外方位元素和地面點坐標近似值。

如果初始值不能確定，可以采用地形圖獲取，也可采用交替進行后方交會和前方交會建立航帶模型，但通常采用航帶法加密成果作為光束法區(qū)域網(wǎng)平差的初值。

2)逐點建立誤差方程式和改化法方程式。

3)利用邊法化邊消元循環(huán)分塊法解求改化法方程式。

4)求出每張像片的外方位元素。

5)根據(jù)空間前方交會求得待定點的地面坐標，取像片公共連接點的均值作為最后成果。

光束法區(qū)域網(wǎng)平差以像點坐標作為觀測值，理論嚴密，但對原始數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差十分敏感，只有預(yù)先消除像點坐標的系統(tǒng)誤差后，才能得到理想的加密成果。因此，為降低影像上的系統(tǒng)誤差，必須消除影像畸變差的影響。在獲得每張像片的外方位元素和加密點地面坐標的近似值后，利用共線條件方程式列出每張像片上控制點和加密點的誤差方程式。求得每張像片的外方位元素后，可利用雙像空間前方交會或多像空間前方交會法解求全部加密點的地面坐標。其中，多像空間前方交會法是根據(jù)共線方程，由待定點在不同像片上的所有像點列誤差方程式進行解算。

4 工程實例與精度分析

4.1 項目基本情況

該測區(qū)位于某地，測區(qū)內(nèi)平原地區(qū)約占33%，丘陵地區(qū)約占38%，其余為山地地區(qū)。測區(qū)北部多為林地，中部地區(qū)為草地，南部地區(qū)為沙漠地，測區(qū)內(nèi)有條寬約240 m的河流流過。該測區(qū)1∶2 000高分辨率數(shù)據(jù)生產(chǎn)項目主要是利用無人機低空攝影技術(shù)進行航測作業(yè)，獲取測區(qū)11.49 km2內(nèi)優(yōu)于0.2 m地面分辨率的數(shù)碼影像后，在布設(shè)地面控制點的基礎(chǔ)上，利用DPGrid軟件進行自動空三加密，隨后利用Virtuozo軟件進行航測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)采集并最終生成測區(qū)范圍內(nèi)1∶2 000比例尺的數(shù)字線劃圖(DLG)，具體技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 1∶2 000 DLG生產(chǎn)技術(shù)流程Fig.3 1∶ 2 000 DLG production flow chart of the surveying area

1)航帶設(shè)置

本測區(qū)航攝飛行預(yù)定的飛行航帶設(shè)置如圖4所示。航向重疊度一般設(shè)置為60%～65%，旁向重疊度設(shè)置為30%～40%。當測區(qū)建筑較密集時，可適當增大航向重疊度與旁向重疊度，以減弱因航向重疊度不足而造成的建筑物幾何結(jié)構(gòu)粘連。

圖4 航帶設(shè)置Fig.4 Chart of flight belt setting

2)地面像控點的布設(shè)

本測區(qū)共布設(shè)173個外業(yè)像控點，有效點位141個。其中選取125個點作為地面控制點，16個點作為檢核點。像控點的點位分布如圖5所示，其中黑色為地面控制點，紅色為檢核點，162號點的數(shù)字刺點如圖6所示。

圖5 外業(yè)像控點分布Fig.5 Distribution of field image control points

圖6 刺點圖示例Fig.6 Example of prick chart

4.2 空三加密結(jié)果精度評定

4.2.1 總體結(jié)果

本次項目共布設(shè)像控點173個，其中個別點位判讀困難，為保證精度進行了剔除，實際利用像控點為141個。其中，用作地面控制點125個，檢核點16個。按步驟及要求處理各項數(shù)據(jù)后，得到地面控制點與檢核點平差的殘差值。

在125個地面控制點中，有2個控制點的高程誤差過大不能使用。最終使用123個點進行平差計算，得到平差殘差的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 點平差的計算結(jié)果Tab.1 Adjustmentresultsoftheparticipatingpoints方向中誤差/m最小中誤差/m最大中誤差/mX0.23380.04440.8158Y0.24440.00270.7724XY0.33820.28830.8815Z0.32560.00790.8408

剔除2個高程出現(xiàn)粗差的控制點后，利用123個平面坐標值和123個高程值進行平差計算，得到平差殘差的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。16個檢核點平差的結(jié)果如表3所示。

表2 123個平高控制點平差結(jié)果Tab.2 Adjustmentresultsof123levelingcontrolpoints方向中誤差/m最小中誤差/m最大中誤差/mX0.22880.03800.8158Y0.24620.00380.7724XY0.33610.28570.8815Z0.32560.00790.8408

結(jié)合控制點殘差、檢查點誤差最大限值的規(guī)定，從表3可以看出，地面控制點和檢查點的各項平差結(jié)果均滿足相應(yīng)要求中的最高精度要求，即對于平地區(qū)域的要求。由此可見，無人機低空攝影測量的航測數(shù)據(jù)在處理后進行空三加密，其精度可以滿足1∶2 000地形圖測繪的要求。

表3 檢核點平差結(jié)果Tab.3 Adjustmentresultsofcheckpoints方向中誤差/m最小中誤差/m最大中誤差/mX0.25160.10940.6410Y0.25380.00750.6456XY0.35740.29010.6920Z0.36720.06330.6372

4.2.2 地形、地物對控制點精度的影響分析

通過對不同地形特征、不同地物覆蓋的控制點平差進行精度分析可知，不同的地形特征、地物對控制點的精度均存在一定的影響。

4.2.2.1 不同地形對像控點精度的影響

平地點數(shù)為41、丘陵點數(shù)為47、山地地區(qū)點數(shù)為35，得到空三加密不同地形地面控制點中誤差和最大誤差統(tǒng)計,如表4所示。

表4 空三加密不同地形地面控制點中誤差和最大誤差Tab.4 Themeansquareerrorandthemaximumerrorofthedensificationfordifferentterraincontrolpoints中誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m最大誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m平地0.14460.17290.22540.32480.30130.48560.49460.7281丘陵0.23310.23350.32990.36480.62240.72700.75441.9375山地0.31690.34820.47090.45350.81580.77240.88150.8408

通過對比不同區(qū)域控制點空三加密的中誤差可以看出，地形對控制點的精度存在一定的影響，布設(shè)在平地、丘陵、山地地區(qū)的控制點精度依次降低。另外，其影響不僅體現(xiàn)在整體的中誤差方面，也體現(xiàn)在最大中誤差方面。除丘陵地區(qū)的67號點出現(xiàn)粗差外，布設(shè)在平地、丘陵、山地地區(qū)的控制點量測所出現(xiàn)的最大誤差依次增大，導(dǎo)致這類現(xiàn)象的原因主要有以下兩點：

一是在布設(shè)像控點過程中，采用RTK方式量測其坐標，由于像控點位置關(guān)系導(dǎo)致GNSS信號遮擋等原因造成了精度差異；

二是由于丘陵、山地區(qū)域像控點布設(shè)困難，其周圍區(qū)域像控點布設(shè)較少且不均勻，導(dǎo)致該區(qū)域定位精度較低。

此外，除由于67號點導(dǎo)致丘陵地區(qū)最大高程誤差出現(xiàn)粗差外，在丘陵、山地布設(shè)的控制點中存在較多點位誤差偏大的點，對整體中誤差的影響也較大。

這主要是因為丘陵與山地地區(qū)地表植被覆蓋而導(dǎo)致的GNSS信號遮擋，同時導(dǎo)致這類地區(qū)植被判別出現(xiàn)差錯。

4.2.2.2 不同地物對像控點精度的影響

在不同的地形與地貌條件下，分別采取像控點進行較差比較，結(jié)果如表5所示。

表5 空三加密不同地物覆蓋下地面控制點中誤差和最大誤差Tab.5 Themeansquareerrorandmaximumerrorofthedensificationofgroundcontrolpointsunderdifferentlandcover中誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m最大誤差DX/mDY/mDXY/mDZ/m公路0.15030.14900.21160.33290.32450.50400.50400.6124房子0.18070.20330.27200.30410.18070.20330.27200.3041灌木0.22650.23460.32610.28350.39950.71690.71990.7299農(nóng)田0.22010.27760.35430.41330.57310.72700.75441.9375樹0.27750.27990.39410.39050.62240.77240.77430.8082小路0.41900.19060.46030.46470.81580.33400.88510.8183

地物對像控點精度的影響有兩方面：一是不同的植被覆蓋對GNSS信號的遮擋導(dǎo)致部分地區(qū)點位測量出現(xiàn)偏差；二是不同特征點的地物在航空影像上刺點位置的判讀出現(xiàn)偏差。布設(shè)在公路上的控制點由于在刺點圖、航空影像上判讀精準，其精度較高。布設(shè)在小路等的控制點，由于條件限制，精度較低。

5 結(jié)束語

本文通過對無人機低空攝影測量系統(tǒng)的分析以及無人機航測數(shù)據(jù)的處理分析，得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合POS數(shù)據(jù)通過光束網(wǎng)區(qū)域平差，得到的空三加密成果滿足項目所需的1∶2 000地形圖測繪的要求。說明低空無人機攝影測量可應(yīng)用于測繪大比例尺地形圖，為測繪大比例尺地形圖提供參考借鑒。

2)地面控制點的選取對空三加密的精度影響較大，控制點布設(shè)區(qū)域的地形、植被覆蓋以及控制點所處的位置都對控制點的精度有直接影響，因此在選擇控制點過程中應(yīng)充分考慮上述因素。