陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710000
摘 要：无人机航测系统由于机动性好、拍摄效率高等优点，在很多领域已经被广泛应用。文中以某无人机航测系统为基础,采用试验区布设地标控制点检核的方式,进行了无控制摄影测量的生产性试验研究。
关键词:无人机;摄影测量;精度
近年来，低空无人机（UAV，Unmanned AerialVehicle）技术得到了飞速发展，基于无人机平台的航空摄影技术显现出很强的优势。无人机低空航测技术具有使用成本低、结构简单、操作方便和转场容易等显著优势，且适用于危险区域测绘和快速监测等应急测绘方面。
一、无人机航测系统简介
无人机航测系统是由很多设备组成的,它主要包含:无人驾驶飞行器、GPS定位导航、摄影传感器。无人机优点是成本比较小、高机动性、专业化、小型等。而无人机在进行飞行过程中需要由一些辅助设施，主要包含：操作系统、地面站、远程通信装置、无人机飞行平台、信息处理系统等。整个系统特点有飞行准备时间较短、方便操作、作业灵活、容易获取信息、得到精度较高影像。
二、无人机航测系统在作业中的运用
1.进行控制测量。控制测量时选用全球定位系统（GPS）和全站仪相结合的方式进行测量，选择一双四等分的GPS控制点在沿着公路约5km的地方进行设置，必须在每个控制点之间进行加密设置，每隔大约500m布置一级导线点。
2.无人机的航空摄影。（1）确定航线。对线路的相关数据进行实时测量。（2）相片控制点的设置及测量。①以规格为1.5m的方形喷绘纸制作相片控制点标志，设计黑白相间的三角符号作为标志图案。②设置相片控制点。在地形复杂、可视性一般的环境下，在设置线路中线周边测量控制点时，必须设置布标，以保障能够精准的进行后期系统成图。③测量相片控制点。分别是；GNSS静态测量、GNSS RTK测量和全站仪导线测量。
3.空三加密计算。经过相片改正后，数码像片框标坐标残差绝对值为0，同时运用边框自动计算内定向。在进行像点量测坐标时，不能忽略主点位置、大气折光、等系统误差，可以运用自检校平差技术对其进行消除。
4.内业测图。采用全野外调绘后刺点测图的方式进行内业测图，如果有不符合现状的地物，需要再次进行野外补测，并用测标切准模型描绘的方式测绘等高线。最后通过相关的软件转换将矢量地形图，形成完整的格式地图。
三、无人机航测系统
1.系统简介。该无人机航测系统采用电动型固定翼无人机为平台,集成高精度RTK与IMU,搭载富士XM1相机,可以结合CORS站网在无外业控制点的情况下运用其自带的影像处理系统,快速检查、纠正、拼接,生产出满足大比例尺测图精度要求的DEM、DOM、DLG等产品。
2.系统优点。POS(Position Orientation System,简称POS)是高精度定位定向系统,采用动态差分GPS(即Dif-ferential GPS)技术和惯性测量装置IMU(即InertialMeasurement Unit)直接在航测飞行中测定感测器的位置和姿态,并经过严格的数据处理,获得高精度的感测器的6个外方位元素,从而实现无或极少地面控制的感测器定位和定向,又称为IMU/DGPS集成系统。国内目前常规无人机航测系统大多集成了GPS技术,由于IMU技术的限制,尚未集成IMU定姿技术。该系统则集成了POS技术,在航摄的同时可以高精度记录影像的外方位元素,满足摄影测量直接地理定位(DGR)的精度需求,从而实现无地面控制的摄影测量。
3.系统作业流程。本无人机航测系统作业流程主要包括外业航摄与内业数据处理两个环节,外业航摄时需要进行航摄飞行计划的制定,系统采用软件MAVinci进行作业规划。航摄飞行的同时利用系统集成的POS系统实时采集影像的外方位元素。影像数据获取后,快速的进行野外影像摄影质量检查,并用软件MAVinci进行影像预处理后导出影像,并进行最终的成果数据生产,包括带地理参考的DEM、DOM以及高密度点云数据。具体的作业流程如图1。
四、无控制航测试验
1.试验区概况。本次试验地点测区是东西宽0.5 km、南北长0.8 km、面积约
0.4 km 2的矩形区域。并分布有居民地、公路、植被、农田、丘陵、待开发区域等。测区地势平坦,平均海拔1 750 m,高差约100 m,空域良好。该卫星定位连续运行基准站已建成并投入使用,能提供2000国家大地坐标系,信号覆盖测区范围。
2.地面检查点布设与测量。结合该无人机航测系统高度集成POS系统和影像获取设备的特点,在航摄飞行中就能得到每张影像的外方位元素,后期数据处理过程中无需地面控制点就能得到高精度测绘成果,所以在本测区不进行外业控制测量。为了检测该无人机航空测图系统无控制成果的平面精度和高程精度,在航空摄影工作开始之前,在试验区采用实物布标的方式均匀布设30个地面检查点(如图2)。检查点样式为中心直径20 cm的圆、边长75 cm为底的蓝色标布。
3.航摄设计与外业飞行。航摄设计以软件MAVinci浏览目标区域时自动下载的带有高程信息的Google影像数据为基础,根据输入的地面分辨率和测区范围,依据测区地形变化情况,自动调整航线的相对航高来适应地面起伏,创建自动适应高程模型的飞行计划。确保摄区内所采集的像片具有相同的地面分辨率和重叠度,避免同一个摄区内地面分辨率不一的情况,减少航摄分区,保证飞行安全。检查无误后将飞行计划无线传输到无人机控制系统内,完成航线设计。在飞机调试、基站架设、地面检查工作完成后,飞机采用手抛方式起飞,飞行控制系统按照规划好航线设计的飞行计划自动飞行,保持航高,调整飞机姿态;影像获取系统则通过高精度GNSS RTK技术结合精密定时技术来确定每个曝光点的精确位置,按照预设的航线控制影像获取设备进行拍摄并存储;影像位置和姿态采集系统获取所有影像的POS数据;地面控制部分则利用无线传输通道将飞行姿态数据传输到地面控制系统,地面工作人员实时监控飞机状况,直至完成任务自动驾驶降落。此试验区域共飞行2架次,分别获取5 cm以及8 cm分辨率的影像。
4.数据处理。无人机低空摄影测量影像数据处理的关键在于低空飞行器影像重叠度不够规则、像幅较小、像片数量多、倾角过大且倾斜方向没有规律,较难实现影像匹配的全自动连接点选取及配准。虽然目前很多无人机低空影像数据处理软件基本能够实现自动化处理,但面对数据质量不佳、海量数据时,依然需要
大量人工干预,效率不高。该无人机航测系统提供了一键式数据处理方案:影像数据获取后,快速的进行摄影质量检查,经过软件MAVinci预处理的数据,导入后处理模块AgisoftPhotoScan,仅需要设置少量参数即可进行自动化处理,直至输出带地理参考的数字高程模型DEM、真正射影像DOM以及高密度点云数据。较常规无人机影像,无人机航空测图系统获取的DEM数据精细化程度高;DOM数据为真正射影像,便于内业脱离立体环境而可以直接在DOM上进行地物测图编辑。
5.精度评定。在航摄飞行前,检查点的平面坐标和高程已经采用基于GSCORS站网络的RTK定位方法获得。为检验该无人机航测系统的成果精度,平面通过DOM数据直接量测检查点坐标;高程通过DOM套合数字高程模型DEM生成DSM,并在DSM上量测对应的检查点的高程值,将量测的检查点坐标与外业测量得到的坐标进行比较,通过计算得出平面中误差和高程中误差,并进行精度对比分析。两次航摄获取成果精度均优于限差要求。所以,拓普康天狼星无人机航空测图系统成果的平面精度、高程精度都完全满足1∶500、1∶1 000及1∶2 000的大比例尺测图要求。
随着飞行自动控制、数字传感器小型化等关键技术的突破,以及国家低空空域有序开放的政策调整,集成高精度POS系统、大大减少了外业工作量的无控制点无人机航测技术必将在城市规划、数字城市、应急救灾、国情监测、新农村测绘保障等领域发挥重大作用。
参考文献：
[1] 周燕.浅述无人机及其技术在地质工作中的应用[J].黑龙江科技信息,2017(21):125-126.
[2] 李建．无人机航测系统在大比例带状地形图测绘中应用进行分析［J］．科技情报开发与经济，2017，25.
论文作者:张壁,梁向阳,焦旺
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：无人机论文; 系统论文; 影像论文; 测量论文; 高程论文; 精度论文; 检查点论文; 《工程管理前沿》2019年第14期论文;