中蓝连海设计研究院有限公司 江苏省连云港市 222004
摘要：现阶段，社会经济飞速发展，现代化建设的发展也有了很大的进步。自“数字地球”概念提出后，各类“数字＋”的概念相继出现并迅速发展，如数字校园、数字城市等，对数据采集提出了更高的要求。常规的数据采集方式相对较慢，已不能满足其要求，因此需要一些更有效的采集方式。摄影测量是目前迅速获取和更新地面信息的有效手段之一，能在大面积和地形复杂区域进行作业，在基础数据采集测绘中发挥着巨大的作用。传统的摄影测量主要有卫星遥感和航空摄影测量，对于卫星遥感而言，受轨道、拍摄高度的影响，更新速度、分辨率都存在不足；对于航空摄影测量而言，其在一定程度弥补卫星遥感的缺点，比较灵活，具有更高的分辨率，但仍受到外界较大的影响，如天气因素、测区地形地势、严格的空中管制，因此机动性不高，作业周期偏长，整体成本高，很难达到民用的要求，因此在快速测量、范围较小的方面还存在不足和缺陷。
关键词：多旋翼无人机；低空摄影测量成果；因素分析
引言
随着我国各项高新技术和测绘技术的不断发展，无人机低空摄影测量技术得到迅速发展，在各行业领域得到有效普及和应用，文章通过分析无人机低空摄影测量技术实际作业过程和其优缺点，讨论影响测量成果的因素，并对此提出了对策建议。
1多旋翼无人机低空摄影测量系统特点
相比传统的摄影测量方式，无人机低空摄影测量具有成本低、机动灵活等诸多特点。
1.1多旋翼无人机摄影测量的优点
相比卫星遥感和航空摄影，多旋翼无人机在小范围航空摄影测量上更有优势，主要优点有：（1）机动灵活、响应速度快。无人机体积较小、质量较轻，方便运输，现场完成安装后可立即开展作业；（2）作业成本低。普通的无人机几百至几千元，配备齐全的市场价格几万至几十万，且不需租赁起飞和停放场地，厂商提供维护和保养，养护成本低；（3）地面分辨率高。无人机一般是在云下飞行，更接近目标，地面分辨率可达亚米级，空间分辨率可达厘米级；（4）更新速度快。获取影像速度较快，周期较短，能迅速更新数据，准确的反映地面各类地物信息的变化；（5）可量测性。影像经过软件处理，形成数字矩阵，对图像进行分析后可以对地面信息进行提取和运算，如体积量测、可视化分析等。
1.2多旋翼无人机摄影测量的缺点
（1）姿态不够稳定。无人机由于自重较轻，惯性小，因此容易受到气流影响，造成影像倾斜角过大且没有规律，俯仰角、侧滚角和旋偏角变化加剧；（2）影像畸变过大。无人机一般搭载的是非量测普通数码相机，不提供内方位元素和畸变系数，需要后期检校和标定后获取畸变系数，对影像进行校正处理；（3）像幅较小，影像数量较大。无人机采用的非量测相机，像幅一般仅为24mm×36mm。
2影响多旋翼无人机低空摄影测量成果的因素及对策
2.1影像采集工具（相机）
由于平台搭载的是非量测数码相机，未提供内方位元素和本身畸变系数，不能直接进行像位的解析和计算，因此必须解决非量测数码相机内方位元素和成像系统存在的畸变问题，需要对非量测数码相机进行检校和标定工作。经过检校和标定后，可获取它的内方位元素和镜头本身畸变系数。非量测数码相机的检校和标定，一般来说主要分为三种：通过室内实验室二维/三维检校场标定、在外业进行摄影测量时同时标定、野外检校场标定。在外业中，非量测相机还可能出现曝光漏点的现象，这种情况需要地面观察员发现传回的相机曝光数据和无人机飞行姿态数据存在异常，出现曝光漏点，应该结合实际情况，考虑补飞。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2无人机平台
无人机飞行姿态控制稳度有相应规范要求。由于无人机重量不大，飞行过程容易受到气流和风的干扰，在侧风4级以下的情况还能符合规范，一旦侧风较大，飞行过程中姿态角会达到±10°甚至更大。无人机飞行姿态稳定性差，会产生以下影响：（1）影响无人机内业影像处理的成果，出现像点位移、高程扭曲的现象；（2）为保证解算的精度，要增大像片的重叠度，增加外业工作量，使得像片总量增大，导致内业数据处理计算工作增加；（3）由于重叠度大，导致观测值个数增多，连接点和影像匹配数量增多；（4）一些算法可能失效。因此为了保证影像的质量和内业数据处理的精度，通常设置其其航向重叠度为70%～85%、旁向重叠度为35%～55%。为使无人机保持稳定的姿态，可在以下几个方面进行改进：（1）采用高灵敏度的传感器，（2）配备使用性能优良的控制系统；（3）相机与无人机采用非刚性连接方式，同时采用减震垫；（4）经济条件允许情况下加装电动云台，电动云台全天候环境设计，可以帮助相机绕X、Y、Z轴自由旋转，有效对航拍时的画面进行全方位的稳定，保证画面稳定和清晰。对于外方位元素，为保证其准确性，在作业中需要确保相机触发曝光和GPS/IMU系统获得的POS信息的同步性，需要通过多线程技术，保证多个独立任务同时并发运行，准确获取即时摄影瞬间的外方位元素。
2.3GPS/IMU系统
IMU惯性测量单元（Inertialmeasurementunit）是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。GPS是是在全球范围内利用GNSS定位卫星，实时进行定位和导航的系统。IMU和GPS组合在一起的POS系统，有效的实现了二者优缺点互补，保证系统完整性的同时，提高单系统提供数据的可靠性和精度。在实际作业过程中，相机、IMU和GPS两两相互独立运行，采集数据的频率存在差异，而GPS在事后动态定位能力较差，作业中飞行速度较快，很小的同步误差就会引起最后较大的定位误差。对此需要通过相机曝光时刻的脉冲同步记录IMU的数据，不断修正IMU测量值，同时通过卡尔曼滤波输入GPS信息和定位数据作为观测量，得到曝光点位置，修正解决相机、IMU和GPS这三个单元同步性的问题，保证了POS系统的实用性、可靠性和精度。
2.4地形气象
无人机进行低空摄影测量对两大类地形存在一定的难度，一类是地面地貌差异不大的地形，比如水面、雪地等似镜面的地方；另一类是高低起伏较大、高差较大的地形，比如山地沟壑、有陡峭面的地区。在外业工作中，气象因素有很大影响，不仅表现在对无人机平台方面，还有对影像像片成果方面。在作业前，选择温度合适、风速小、晴朗无雨、可见度高等有利的天气条件。雨雪天气可能会造成无人机系统出现短路现象，温度过低或者过高会影响电池和电机（发动机）的性能，影响飞行安全。注意避免大风雨雪天气。
2.5影像地面控制点
影像地面控制点对于后期空中三角测量和成果精度有非常重要的作用，并且地面控制点布点位置、采集测定精度、准确程度，直接影响成果的质量和精度。影像地面控制点布点的方法/方案一般有：全野外布置点、航线布置点、区域网布置点。实际作业中应全面考虑测区形状、测区内的地形地貌、航带设计路线等因素来综合布置。布置时需要注意以下几个方面：（1）应结合测区、航带设计；（2）应是具体有代表性的特征点且清晰、稳定、不易被破坏、方便量测；（3）应选在相邻像对或者航带重叠处，使得控制点能同时作用于像对和航带，以降低控制点数量，提高控制点作用；（4）不应选在影像边缘和航带位置；（5）不应选择重叠度小和地势复杂的地方；（6）相近的平面控制点和高程控制点，应考虑综合为平高控制点；（7）可以适量增加加密点，加密点应考虑在测区四周；（8）在测区形状不规则的情况下，凸角处增补平高加密点，凹角处增补高程加密点。
结语
无人机低空摄影测量技术存在诸多优势，在实际作业中，为有效提高作业成果的精度和质量，需要在前期准备工作、外业采集数据、内业数据处理三个阶段，严格按照规范操作，根据项目任务实际需求，及时作出调整，做好方案设计，发挥其优势，减少各类因素的影响，助力国民经济的发展。
参考文献：
[1]曹帅帅.无人机倾斜摄影测量三维建模的应用试验研究[D].昆明：昆明理工大学，2017.
[2]杨永明.无人机遥感系统数据获取与处理关键技术研究[D].昆明：昆明理工大学，2016.
论文作者:王序
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/11
标签：无人机论文; 测量论文; 作业论文; 低空论文; 影像论文; 地面论文; 畸变论文; 《建筑模拟》2019年第4期论文;