傳統(tǒng)的航空航天測(cè)量技術(shù)因成本高、現(xiàn)勢(shì)性不強(qiáng)、受天氣條件影響大等原因，一般用于大范圍中小比例尺測(cè)量任務(wù)。而基于無人機(jī)平臺(tái)的航空測(cè)量技術(shù)具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以快速高效地獲取高分辨率影像、數(shù)字高程模型DEM 和數(shù)字正射影像圖DOM 等數(shù)字產(chǎn)品，在大比例尺測(cè)圖、災(zāi)害應(yīng)急處理、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正逐步成為空間地理信息獲取的重要手段。
目前，基于無人機(jī)的大比例尺航空攝影測(cè)量需要布設(shè)一定數(shù)量的像控點(diǎn)，工作強(qiáng)度大，精度低。針對(duì)像控點(diǎn)布設(shè)的缺陷與不足，本文基于天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，探討了在無控制點(diǎn)的前提下，利用固定翼無人機(jī)進(jìn)行1∶500 數(shù)字測(cè)圖的流程和關(guān)鍵技術(shù)，并通過工程實(shí)例對(duì)天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在1∶500 測(cè)圖中的可行性進(jìn)行探究。
天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)
天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、影像傳感器和地面監(jiān)控系統(tǒng)組成。
1.1 無人機(jī)飛行平臺(tái)
該飛行平臺(tái)是手拋式固定翼無人機(jī)，具體參數(shù)如表1 所示。
1.2 飛行控制系統(tǒng)
飛行控制系統(tǒng)包括機(jī)載自主控制和地面人工控制兩大部分。無人機(jī)的升空過程和回收過程由地面人員通過地面控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，飛機(jī)到達(dá)預(yù)先設(shè)定的高度后，通過機(jī)載自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)駕駛，并可以在兩種模式下自由切換。
機(jī)載控制系統(tǒng)的POS 通過RTK 動(dòng)態(tài)差分技術(shù)和IMU 慣性測(cè)量裝置直接在航測(cè)飛行過程中實(shí)時(shí)測(cè)定無人機(jī)的位置和姿態(tài)，并由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，通過地面控制平臺(tái)顯示飛行姿態(tài)、速度、高度、方位等相關(guān)參數(shù)。
1.3 影像傳感器
天狼星無人機(jī)搭載的傳感器為普通非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)松下GX-1，相機(jī)焦距為14 mm;定焦1 600 萬像素;相機(jī)快門速度在靜態(tài)模式下為60～1/4 000 s;閃光同步速度為1/160 s;在動(dòng)態(tài)模式下分別為1/30～1/6 000 s、1/25～1/6 000 s。
無人機(jī)大比例尺測(cè)圖關(guān)鍵技術(shù)
2.1 自適應(yīng)航線設(shè)計(jì)
天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)配套的MAVinci Desktop 軟件包含面向全球的影像數(shù)據(jù)，在確定目標(biāo)測(cè)區(qū)后，軟件可以自動(dòng)下載測(cè)區(qū)影像。通過在影像上添加角點(diǎn)定義飛行范圍，輸入地面采樣距離GSD 即可自適應(yīng)地設(shè)定飛行高度和重疊度等技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)航線的自動(dòng)規(guī)劃。針對(duì)高差起伏大的區(qū)域，采用航高固定不變的飛行計(jì)劃，則地面采樣距離和重疊度不能達(dá)到要求，而天狼星無人機(jī)可以根據(jù)地形起伏自動(dòng)調(diào)整航高，不僅確保設(shè)計(jì)的地面采樣距離和重疊度保持不變，同時(shí)可以自動(dòng)避障，保證了飛行安全。
自適應(yīng)航線設(shè)計(jì)以天狼星的飛行參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)成圖比例尺選擇地面采樣距離，進(jìn)而確定航高：
式中，H 為航高;f 為物鏡焦距;α 為像元尺寸;GSD為地面采樣距離。
此外，航線設(shè)計(jì)的其他參數(shù)如下式所示：
式中，l 為像片的像幅尺寸，單位為m;L 為l 對(duì)應(yīng)的地面距離，單位為m;m 為攝影比例尺分母;p% 為設(shè)計(jì)的航向重疊度;B 為攝影基線長(zhǎng)度，單位為m。
對(duì)于大范圍測(cè)區(qū)，航線設(shè)計(jì)需要綜合考慮測(cè)區(qū)面積、地形地貌、續(xù)航能力等諸多因素，對(duì)此，MAVinci Desktop 可以對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行自動(dòng)分割，合理劃分架次，不僅可以提高效率，還能獲取高質(zhì)量航攝影像。
2.2 鏡頭畸變糾正
天狼星無人機(jī)搭載的是非量測(cè)相機(jī)松下GX-1，在攝影成像過程中，由于存在鏡頭畸變，使得實(shí)際像點(diǎn)位置坐標(biāo)偏離理想像點(diǎn)坐標(biāo)。該相機(jī)焦距固定，則鏡頭畸變屬于系統(tǒng)誤差，對(duì)每張像片產(chǎn)生同樣的影響。本文利用直接法進(jìn)行像片的畸變糾正，即將原始像片上的每個(gè)像元按照畸變改正模型進(jìn)行改正，計(jì)算出改正后的對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)，并保持灰度值不變?；兗m正模型如下：
式中，(x, y) 表示無畸變像點(diǎn)在以左上角為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo);(x0, y0)表示像主點(diǎn)坐標(biāo);(xu, yu) 表示以像主點(diǎn)為原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo);(xd, yd) 表示畸變糾正后的像點(diǎn)坐標(biāo);K1, K2, …, Kn 表示徑向畸變參數(shù)，由相機(jī)標(biāo)定獲得;P1, P2, …, Pn 表示切向畸變參數(shù)，由相機(jī)標(biāo)定獲得;表示(xu, yu) 的徑向距離。
2.3 POS 輔助空中三角測(cè)量
在傳統(tǒng)航測(cè)中，像控點(diǎn)的布設(shè)是航測(cè)的基礎(chǔ)。不論是飛前布控還是飛后布控，都占用大量的人力物力，同時(shí)，控制點(diǎn)的布設(shè)方式和穩(wěn)定性以及內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)都直接影響著測(cè)量結(jié)果的精度。無人機(jī)所搭載的非量測(cè)相機(jī)，鏡頭畸變大，且所獲取的影像像幅面較小，單幅影像地面覆蓋范圍有限，導(dǎo)致空三解算需要更多的控制點(diǎn)來保證精度。
POS 輔助空中三角測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了低空無人機(jī)攝影測(cè)量對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴問題。不同于傳統(tǒng)的航測(cè)流程，天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng)集成了高更新頻率的機(jī)載RTK 和IMU 慣性測(cè)量單元，在航空攝影的同時(shí)，100Hz 的實(shí)時(shí)差分RTK 模塊通過載波相位差分技術(shù)，將一臺(tái)GNSS 接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站，與機(jī)載接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，根據(jù)基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并對(duì)機(jī)載接收機(jī)的定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而獲取無人機(jī)拍攝每張像片時(shí)的精確坐標(biāo)，使得每張像片的位置信息實(shí)現(xiàn)和地面控制點(diǎn)同樣的功能。同時(shí)，通過慣性測(cè)量單元IMU 來感測(cè)無人機(jī)的加速度、旋轉(zhuǎn)角度等，經(jīng)過積分運(yùn)算，實(shí)時(shí)測(cè)定無人機(jī)的位置姿態(tài)信息。將GNSS 的精確坐標(biāo)和IMU 的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合后處理，求取每張像片的6 個(gè)高精度外方位元素，從而實(shí)現(xiàn)無控制點(diǎn)空中三角測(cè)量。
POS 輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差包含三類觀測(cè)值：像點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)值、GNSS 接收機(jī)測(cè)定的攝站點(diǎn)坐標(biāo)觀測(cè)值和IMU 測(cè)定的無人機(jī)姿態(tài)角觀測(cè)值。同時(shí)，考慮加入GNSS 和IMU 觀測(cè)值包含的與航攝飛行時(shí)間t 成線性關(guān)系的系統(tǒng)誤差，建立影像外方位元素與POS 數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系，如式(4)、(5)：
式中，[Xs Ys Zs]T 表示實(shí)際曝光時(shí)刻投影中心的坐標(biāo);R 表示影像外方位元素的3 個(gè)角元素φ、ω、κ 所構(gòu)成的正交變換矩陣;[x y -f ]T 表示像點(diǎn)在像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值;λ 是投影系數(shù)，在解算過程中相互抵消;[X Y Z]T 表示像點(diǎn)在像空間輔助坐標(biāo)下的坐標(biāo)值;[X Y Z]T GNSS 表示相機(jī)曝光時(shí)刻記錄的攝站點(diǎn)GPS 位置;[x y z]T GNSS 表示GPS 天線相位中心在像空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值;[aX aY aZ]T 和[bX bY bZ ]T分別代表GPS 線性偏移系統(tǒng)誤差改正參數(shù)中固定部分和隨時(shí)間變化部分;t 表示該曝光點(diǎn)的曝光時(shí)刻，t0 表示參考時(shí)刻。
應(yīng)用實(shí)例
3.1 測(cè)區(qū)概況
某測(cè)區(qū)是東西長(zhǎng)約4 km、南北寬約1 km 的近似矩形區(qū)域。測(cè)區(qū)分布有居民地、公路、河流、農(nóng)田、植被密集區(qū)、公共設(shè)施等，具有代表性，整體地勢(shì)平坦，平均海拔25 m，空域良好，天氣晴，微風(fēng)，適合無人機(jī)進(jìn)行低空攝影測(cè)量。本次工程平面坐標(biāo)系統(tǒng)為1954 年北京坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。
3.2 航測(cè)流程
天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺測(cè)圖主要包括影像獲取和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)環(huán)節(jié)，基本流程如圖1所示。
3.2.1 影像獲取
根據(jù)測(cè)區(qū)概況，用MAVinci Desktop 軟件在GoogleEarth 影像上制定飛行計(jì)劃，覆蓋飛行區(qū)域，在實(shí)地踏勘后對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。本次航飛分割為兩個(gè)架次，航線總長(zhǎng)約32 km;設(shè)定地面采樣距離為5 cm，航高為194 m，航向重疊80%，旁向重疊60%。航線設(shè)計(jì)如圖2 所示。
由于天狼星無人機(jī)集成了高精度的POS 系統(tǒng)，在航攝過程中可以直接獲取每張像片的外方位元素，所以無需布設(shè)像控點(diǎn)，僅需在已知點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站即可開始無人機(jī)航空攝影。
3.2.2 數(shù)據(jù)處理
天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)首先利用MAVinci Desktop軟件對(duì)航測(cè)像片進(jìn)行畸變糾正、勻光勻色和影像匹配等預(yù)處理。然后導(dǎo)入Agisoft Photoscan Pro 軟件對(duì)影像匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。依據(jù)攝影測(cè)量的原理，利用航攝像片、POS 數(shù)據(jù)和RTK 基準(zhǔn)站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過嚴(yán)密光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算出每張像片的位置、姿態(tài)等6 個(gè)外方位元素，完成空三加密，進(jìn)而通過建立密集點(diǎn)云生成格網(wǎng)和紋理，獲得高分辨率的DOM(圖3)和DEM(圖4)，最后對(duì)DOM 進(jìn)行矢量化，利用DEM生成等高線，兩者疊加，編繪制作線劃圖。
3.3 數(shù)據(jù)檢核與精度評(píng)定
為了探究天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在大比例尺測(cè)圖中的可行性和可靠性，本工程在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻選取了50 個(gè)具有明顯特征的地面檢核點(diǎn)，包括房角、墻角、地面坎角等，并采用GNSS RTK 進(jìn)行坐標(biāo)采集，然后與影像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的量測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算x、y、h 3 個(gè)方向的較差，并根據(jù)中誤差公式求得平面中誤差和高程中誤差。其中，同名點(diǎn)的平面坐標(biāo)通過DOM數(shù)據(jù)直接量測(cè)，而高程則通過DOM 套合DEM 生成數(shù)字表面模型DSM，并在DSM 上量測(cè)同名點(diǎn)的高程值，如表2。
由此可知：
1)x 和y 方向坐標(biāo)偏差整體趨勢(shì)一致，中誤差基本相等，且均低于地面采樣距離，達(dá)到了各方向坐標(biāo)偏差約等于地面采樣距離的預(yù)期。
2)檢核點(diǎn)平面點(diǎn)位較差最大值為0.059 m，最小值為0.019 m，平面點(diǎn)位中誤差為0.049 m，根據(jù)規(guī)范《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2000 數(shù)字線劃圖》，在平地、丘陵地區(qū)，1∶500 比例尺的數(shù)字正射影像圖明顯地物點(diǎn)的平面位置中誤差不應(yīng)大于0.3 m，所以，平面精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。
3)檢核點(diǎn)z 方向坐標(biāo)偏差整體大于x 和y 方向的坐標(biāo)偏差，最大值為0.079 m，最小值為0.005 m，高程中誤差為0.059 m，說明高程精度略低于平面精度。
根據(jù)規(guī)范《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1000、1∶2000 線劃圖》，在平地區(qū)域，1∶500 比例尺數(shù)字高程模型檢核點(diǎn)的中誤差不應(yīng)大于0.2 m，所以，高程精度同樣可以達(dá)到規(guī)范要求。
4)分析發(fā)現(xiàn)，占88% 的檢核點(diǎn)的影像量測(cè)高程值高于實(shí)測(cè)高程，原因可能是在數(shù)字表面模型DSM 上進(jìn)行高程值量測(cè)時(shí)，有植被覆蓋的區(qū)域沒有準(zhǔn)確地切合到地面，未能反映地表的真實(shí)高程值。
結(jié)語
本文通過工程實(shí)例表明，在平原地區(qū)由天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)得到的DEM、DOM 能夠達(dá)到1∶500 數(shù)字測(cè)圖的要求，驗(yàn)證了其在免像控大比例尺地形圖測(cè)繪中的可行性。與傳統(tǒng)無人機(jī)測(cè)圖相比，不僅提高了測(cè)圖精度，更提高了工作效率。但是，本文所選測(cè)區(qū)面積較小，且地勢(shì)較為平坦，在接下來的工作中，會(huì)繼續(xù)選擇更大范圍、地形起伏大的區(qū)域進(jìn)行航測(cè)實(shí)驗(yàn)，以提高天狼星無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的普適性。
隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家低空空域有序開放，集成了高精度POS 系統(tǒng)的免像控?zé)o人機(jī)航測(cè)技術(shù)必將成為空間地理信息獲取的重要手段，更廣泛地應(yīng)用于大比例尺地形圖測(cè)繪、災(zāi)害應(yīng)急處理、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域。
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