無人機大比例尺航測系統的研製及應用

來源：《測繪通報》2017年第6期

作者：鄧學鋒，賀雅輝，高宇

第一作者簡介: 鄧學鋒，男，高級工程師,主要研究方向為測繪地理信息技術與應用

摘要 以無人機作為低空遙感平台，將選擇的輕小型量測相機與定製的小型雙頻高動態GPS 進行搭載集成，並自主研製了一種三軸穩定雲台裝置，可保持無人機航攝時相機姿態的穩定，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規範要求， 將該系統應用於1 ∶ 500大比例尺地形圖測繪項目，結果表明該系統的成圖精度完全可以滿足國家航測內業成圖規範及城市測量規範要求。關鍵詞：無人機航測；大比例尺搜索

　　目前多數無人機由於體型小、載荷有限，多搭載輕小型非量測普通相機作為影像獲取裝備，而用於定位定姿等的輔助設備通常重量和體積較大，難以集成於無人機低空遙感平台上，限制了無人機航空攝影測量在大比例尺(如1 ∶ 500)測圖中的應用。此外，由於非量測相機的內方位元素和鏡頭畸變係數未知，光學系統不穩定，使得獲取的航空影像難以滿足大比例尺測圖的精度要求。 儘管無人機載GPS輔助系統在我國西部中小比例尺地形圖測繪中得到了廣泛應用，但對於成果精度需求較高的項目，如生產1∶500—1∶1000 大比例尺地形圖，仍難以滿足成圖精度要求， 因此，研製適用於大比例尺地形圖測繪的無人機搭載平台，具有成本低、易推廣等特點，以及重要的實際應用價值。

　　時間延遲積分(TDI)技術可大幅度提升航空影像的幾何解析度，為無人機低空攝影測制大比例尺地形圖提供了良好的數據支持，而GPS 硬體與低空攝影系統的集成也為無人機大比例尺航測系統提供了可靠的技術支撐。 本文利用時間延遲積分(TDI)技術和GPS 輔助系統，自主研製了相機穩定雲台裝置，並與無人機載GPS 輔助航測系統進行集成，形成了無人機大比例尺航測系統，在「數字固始地理空間框架建設」項目中進行了1 ∶ 500 地形圖測繪。結果表明該系統在航攝過程中內方位元素表現穩定，獲得的航攝影像質量高，成圖精度滿足國家相關規範要求，並大量減少了外業工作量，顯著提高了生產效率。

　　1、加裝雲台穩定裝置的無人機載GPS 輔助航測系統

　　為克服無人機載荷小、無法搭載大型量測型相機等問題，使之滿足大比例尺航測需求，本文選用輕小型量測型相機，並研製了能夠保持航飛過程中相機姿態角穩定的三軸穩定雲台裝置，然後與定製的小型雙頻高動態GPS 進行集成，組成影像獲取系統。無人機航空攝影過程中，該GPS 設備可高速、動態地觀測並記錄衛星信號，同時記錄航攝相機曝光瞬間快門打開至最大的脈衝時刻，並根據17h 後的快速星曆處理結果獲取攝站點的空間三維坐標?作為後續空三加密的代權觀測值參與平差。

　　1.1 加裝三軸穩定雲台的量測相機與GPS 集成

　　航空影像質量直接影響到大比例尺航測法成圖精度，因此在航攝過程中，要求相機姿態穩定，內方位元素及光學畸變已知。 本文對無人機相機搭載系統進行了設計和研發，集成了小型量測型相機和GPS 輔助系統?具體過程如下:

　　(1) 選用丹麥飛思公司改進的IXU-1000 工業相機作為影像獲取裝備，並在設計建立的室內外檢校場，對相機的內方位元素、光學畸變進行了標定，利用共線條件方程進行定標的公式為：

　　式中，Δx、Δy 為畸變改正參數， 考慮徑向畸變、偏心畸變及仿射變形，最終改正模型為：

　　式中，k1、k2、p1、p2 為畸變係數，b1、b2 為CCD 像元的非正方形和CCD 陣列的不垂直性引起的仿射和剪切畸交換係數。

　　(2) 設計研製了用於搭載小型相機的三軸穩定雲台裝置，實現了相機姿態角的控制，並對相機進行了姿態校正。不同比例尺航測成圖對攝影時的傾斜俯仰和側滾姿態均有不同限制，無人機大比例尺航測時航高多處於500~1500 m，氣流變化大，飛行姿態極易受氣流影響，造成航傾角過大，從而影響成圖精度， 因此，為保持相機在航飛過程中姿態穩定，本文自主研製了一種三軸穩定雲台裝置(如圖1 所示)，能夠實時控制航空攝影時無人機的飛行姿態，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規範要求。

圖1　三軸穩定雲台

　　(3) 在穩定雲台上集成了重量不足300 g 的小型雙頻GPS 接收機，用於記錄GPS 衛星信號，總體集成系統如圖2 所示。

　　1.2 event mark 時刻的準確性標定

　　event mark 時刻的準確性影響到攝站點坐標的精度，因此必須對相機脈衝信號進行標定，使其處於相機快門打開與關閉的中間時刻。 本系統機載GPS選用了高動態量測型航空天線，採樣頻率設置為2 Hz，相機曝光時，當快門開啟到最大時向GPS 發送一個高電平脈衝(event mark)，並記錄到GPS 文件，通過該時刻可內插出所有攝站點的空間位置。

　　1.3 無人機載GPS 數據處理

　　考慮到GPS 在飛行過程中連續觀測存在漂移量，平差時需要對GPS 數據進行逐航線改正，以消除GPS 連續觀測累計的漂移誤差。 本文將下載後的機載GPS 數據聯合同一時段的快速星曆進行平差解算，利用地面控制點數據，並結合每張相片曝光時刻內插出每張像片的3 個直線元素。

　　2、無人機大比例測圖及精度評價

　　本文利用自主研發的無人機航測系統完成了固始縣城規劃區39 km2 的1 ∶ 500 地形圖測繪任務，並對成圖精度進行了分析與評價， 固始縣位於河南省中東部，屬平原地區，平均海拔50 m，測繪範圍覆蓋部分建成區和城鄉結合部，包括了大比例尺地形圖測繪的諸多要素，具有一定的代表性。

　　2.1 航線布設與測圖

　　在測區39 km2 範圍內設計布設11 條航線?地面解析度為5 cm，其中構架航線布設兩條，地面解析度設計為6.5 cm，設計的航線布設方案如圖3 所示， 選擇4 個像片控制點、9 個檢查點?為檢查和評定空三加密精度，在測區內選擇分布均勻的10 個明顯地物點作為平高檢查點。

圖3　航線與構架航線布設方案

　　2.2 測圖過程

　　利用全數字攝影測量系統導入空三加密成果，進行地物地貌要素的立體採集，形成調繪工作底圖，外業根據工作底圖進行實地調繪，查缺補漏並進行精度檢測，最終編輯1 ∶ 500 地形圖。

　　2.3 成圖精度分析和評價

　　採取隨機抽樣法抽取4 幅圖進行精度檢驗，分別檢查兩幅圖的高程和平面位置精度，每幅圖利用RTK 實地採集30 個高程點和平面點坐標，分別與地形圖上相應的點進行對比，據此對精度進行分析評價，檢查點的高程中誤差按下式計算(結果見表1)

　　式中，m1 為高程中誤差，n 為檢查點個數，di 為檢測點圖上高程與實測高程的較差。

表1　高程精度統計

　　檢查點的平面中誤差按下式計算(結果見表2)

　　式中，m2 為平面位置中誤差，n 為檢查點個數，ds 為檢測點圖上位置與實測值的較差。

表2　平面位置精度統計

　　1 ∶ 500 比例尺地形圖航測成圖規範要求:高程中誤差為±0.2 m，平面位置中誤差為±0.2 m 和±0.3 m，城市測量規範的相應規定則分別為±0.15 m和±0.2 m， 由表1 和表2 可以看出，高程和平面中誤差完全滿足相關規範精度要求， 實際應用結果表明，利用本文研發的無人機載GPS 輔助航攝測圖系統，採用四角布設像控點原則，能滿足1 ∶ 500 大比例尺地形圖成圖精度要求。

　　2.4 生產效率對比

　　將無人機大比例尺航測成圖方法與常規航測成圖方法進行對比，在像控點布設數量、作業天數及作業效率方面具有明顯的優勢，詳見表3，

表3　生產效率對比情況

　　由表3 可知，常規航測成圖法布設像控點300 個，而本文方法所需像控點僅為13 個(約為常規方法的4%)，作業天數由20d 縮短為3d，大幅度減少了野外像片控制測量工作量，顯著提高了外業作業效率。

　　3、結　語

　　本文採用自主集成的無人機載GPS 輔助航攝系統進行1 ∶ 500 大比例尺地形圖生產，結果表明該系統在大比例尺測圖中能夠滿足國家航測成圖規範及城市測量規範的精度要求，同時顯著提高了生產效率，為我國無人機大比例尺地形圖測繪工作提供了經驗和借鑒。