摘要：无人机航测系统具有结构简单、机动灵活、高效快速、分辨率高、影像清晰等特点，近年来在测绘行业获得了广泛应用和认可。本文介绍了天狼星无人机航测系统的组成以及具有的技术优势，结合生产实际，通过天狼星无人机在G220东深线改建工程测量项目中的应用，阐述了其具体作业流程，并进行了精度统计。结果表明，采用天狼星航空摄影测量方法生产的地形图精度满足相关规范和公路设计的要求，为公路带状地形图测绘提供了更加高效的解决方案。
关键词：无人机；航测系统；免像控；精度统计；
1 引言
目前，公路带状地形图测量主要采用全站仪、RTK等全野外数据采集方法、传统航空摄影测量、移动扫描测量等。全野外数据采集方法需要投入大量的人力物力，在植被茂密、建筑密集、地形复杂的区域实地测量难度较大。传统的航空摄影测量技术成熟度较高、应用也比较广泛，但也存在着很多缺点，如飞行姿态不稳定、影像畸变差大、重叠度不规则等，同时对天气情况、空域使用、机场使用等具有较强的依赖性，传统航空摄影测量一般还需布设较多的像控点，造成野外测量工作量的增加，限制了传统摄影测量系统在公路地形图测量中的应用。近年来，低空无人机技术得到了快速发展，基于无人机平台的航空摄影测量技术优势越来越明显，特别是免像控无人机摄影测量系统的发展，作业效率大大提高。
2 无人机系统介绍
天狼星无人机系统的组成一般包含低空航摄平台、飞行控制系统、地面站监控系统、数据处理系统。
2.1飞行平台
天狼星无人机飞行平台内部载有影像传感器、自动驾驶模块和RTK测量模块。具体技术参数如表1。
表1 天狼星无人机主要技术参数
2.2 飞行控制系统
无人机的飞控系统主要用于飞行计划创建及任务设备管理，由自动驾驶仪、GPS/IMU 惯性导航系统、GNSS接收机等组成，可实现无人机的姿态、航高、速度、航向的控制及各个参数的传输，便于地面人员实时监控无人机飞行信息。可采用手动、辅助和全自动飞行等多种控制模式，可以有效的使无人机按照预定的飞行路线正常飞行。
2.3 地面监控系统
地面监控系统主要包括地面监控软件和无线遥控器等。地面监控软件为MAVinci软件，可以实时监控无人机的飞行高度、航迹、飞行姿态等数据，确保地面监控人员能及时了解飞机的飞行状况，保证飞机正常飞行。
2.4 内业数据处理软件
内业数据后处理软件Photoscan，是一款基于影像自动生成高质量三维模型的软件，无需借助第三方软件，可自动智能化进行数据后处理。软件通过基准点坐标、无人机获得的航片影像和POS数据自动完成影像定向、空三加密过程，实现免像控自动拼接处理，可以直接导出DOM、DEM、点云数据，可在虚拟采集软件下直接做裸眼3D 采集，无需传统立测的3D眼镜、手轮、脚盘。
3 天狼星无人机技术优势
3.1免像控技术
传统航空摄影测量需要布设大量的地面像控点，像控点测量工作需要占用大量的人力物力及工期。在公路带状地形图测绘工作中经常遇到作业人员进入困难甚至无法作业的情况，这对测量精度影像较大，也会大大增加项目开支，甚至对人员、设备构成巨大安全隐患。天狼星无人机航摄系统结合RTK 技术，可获取高密度、高精度的航空制图像控点，此种精密定位技术使得像片位置信息实现和地面像控点同样的作用。
系统搭载100Hz迈新率的GNSS接收机，实现100Hz RTK 数据更新。无人机在飞行过程中采集像片的位置信息，该位置信息都具有RTK固定解算精度，通过整合精密测时和高精度定位技术在空中完成传统的地面像控测量。
3.2飞行计划实现自适应地形起伏
MAVinci主要用于创建飞行计划，只需输入影像分辨率，导入作业范围文件便可实现航线自动划分，自动设定飞行带宽及重叠率等技术参数。飞行计划传输到飞机后，飞机起飞后自动完成飞行任务。在地形起伏较大的区域，不需根据高程变化进行航摄分区，从而进行多次起飞作业，飞机的自适应地形变化功能可以根据地形变化自动改变飞行高度等参数，保证飞机在躲避高山等障碍区的同时也保证影像重叠率，确保影像获取的质量。
4 工程应用
为了更好地检验天狼星无人机航测系统的应用以及精度情况。选择山东省G220东深线改建工程测量项目为试验区，项目主要工作任务是对G220约20km的公路进行控制测量、0.2m分辨率航空摄影测量、1：2000带状地形图生产及纵横断面测量。本项目采用天狼星无人机进行了0.05m分辨率航空摄影测量，实际作业3天，有效飞行15个架次，飞行面积约12km²。
4.1技术流程
4.2航线设计
首先应用MAVinci自动下载带有高程属性的Google影像，然后以下载的影像为基础，根据摄区地形、起飞场地情况以及摄影分辨率要求等因素，使用MAVinci进行自动航线设计。航线设计为航向重叠80%，航向最少不小于75%；旁向重叠65%，旁向最少不小于40%，地面分辨率0.05m。当测区的风向与设计的航线成垂直方向时，为减小飞行过程的漂移问题，则及时调整航线设计。一般航摄起飞点选择在测区范围内起飞，这样可以有效增加作业效率。每个架次航飞有效面积约为0.7km²，航飞时间30min，飞行总架次15个。
4.3无人机航拍
1）航摄时间选择
本项目中，野外航飞共经历了3天时间。在每天的航飞时间中为了避免过大的阴影，通常会选取早晨9时到下午5时作为飞行时间，最大程度地满足规范的规定的摄区太阳高度角和阴影倍数的要求。
2）起飞前的工作准备
组装无人机、架设基准站和天线。在无人机起飞之前，对组装完成的无人机进行设备检查，确保其设置正确，飞行器电路、机械转动部件工作正常，航摄仪的镜头表面清洁干净无污点。
3）航摄风速影响
自然风速大小对重量轻，速度相对较慢的无人机影响非常明显，一般要求起飞和降落的地面风力小于3级（风速约4米/秒）；空中飞行的风力小于4级（5.5米/秒）以保证航片的重叠度。
4）无人机飞行速度
一般情况下无人机的平均飞行速度在55km/h-65km/h之间。
5）基准点坐标测量
在选取较为合适的起将场地埋设了15个基准点，利用SDCORS系统完成测区基准点的坐标测量，获取相应的平面位置坐标和高程数据。在本次测量中按照RTK测量方法，当两测回间的平面、高程互差不大于0.03m时，取平均值作为基准点的坐标。
6）无人机和相机的参数设置
在飞控软件中设置无人机和相机参数，匹配无人机，并在传输飞行计划后，检查无人机机载计划、参数设置是否正确。
7）无人机的起飞监控和降落
无人机采用手抛的起飞方式，待无人机到达指定路线后，飞控系统会根据设定的飞行路线实行自动飞行模式，地面监控人员可以从飞控电脑上实时获得无人机的各项飞行数据，以便及时监控飞机飞行状态。每个架次结束后，无人机自动向飞控电脑上传POS数据，随后通过遥控器降落无人机，降落场地尽量选择视野开阔、航线上无障碍物、长度大于100m的硬化路面。
8）内业数据处理
利用MAVinci 软件首先对POS数据和像片进行匹配，选择坐标系统和输入基准点坐标，实现影像的拼接。根据后处理软件Photoscan，进行影像定向、空三加密处理，完成DEM、DOM的制作以及点云数据数据的生成。
由于采用一键式内业处理方式，在内业处理时节省了大量的人力，内业数据处理时间与计算机配置有关，本次内业处理时间（包括DEM、DOM、点云数据、影像拼接）总用时为4天。利用生成DSM通过EPS软件进行后续的数据生成。由于不需要像控点的布设和测量，节约了大量的时间，每天只需把数据传至数据处理中心，数据处理结束后，便可进行DLG的生产。本次测量任务共经历了7天（外业航飞3天，内业数据处理4天）。
4.4 精度统计
航飞结束后，采用SDCORS应用GNSS RTK对航摄范围内部分特征点进行了坐标采集，共采集平面特征点230个，高程点152个。平面特征点主要选取较为明显、易于观测的点，包括道路夹角、墙体拐角和一些无遮挡的房角等，高程检测点主要选取硬化道面、道路交叉口等。通过选取航摄成果数据中的特征点的坐标与野外RTK实测对应点的坐标进行误差统计。
精度检查均按高精度检测方法计算，经统计，超过2倍中误差视为粗差，剔除粗差后，平面位置误差最大为0.45m，最小为0.02m，中误差为±0.18m；高程误差最大为0.29m，最小为0.01m，中误差为±0.14m。
为了更好地了解误差分布情况，从表2、表3可以看出，误差区间符合正态分布，平面误差小于0.5倍中误差（中误差按m=0.25m）的约占68%，说明精度情况较好。高程误差小于1倍中误差和1倍至2倍中误差的数量基本相当，说明高程误差值相对较大。综上所述，平面和高程精度统计均未超限，满足1：2000地形图测量和公路设计的要求。
表2 平面位置误差区间统计表
表3 高程误差区间统计表
5 结束语
无人机航测技术凭借自身的优势，在测绘作业中应用越来越广泛，发挥重要作用。通过实践表明，天狼星无人机航测系统实现了外业免像控作业，内业实现了影像数据自动拼接等关键环节，免像控技术不仅减少了外业工作人员的工作时间，降低了劳动强度，且可以减少对内业空三加密人员的依赖，大幅提高生产效率，缩短了项目周期。
无人机航测系统具有较大的优势，但在实际工作中天狼星也存在一些缺点，由于天狼星无人机实际作业时间一般为30 min左右，机载相机像素为1600万，使得单架次的航飞面积较小，增加了航飞起落架次，影响了免像控技术在实际生产过程中生产效率的进一步提高。天狼星无人机起飞对场地要求较小，但对降落场地还是有所要求的，一定程度上也影响了作业效率。但天狼星无人机航测系统作为新型的低空摄影测量技术，其高分辨率、高效率、灵活简便、免像控、影像自动拼接等特点，在航空摄影测量项目中发挥着独特的技术优势。
参考文献：
[1]狄桂栓，沈彪群，高波，李涛.免像控无人机航摄系统在公路带状地形测量中的应用与精度分析[J].测绘通报，2017（2）.
[2]叶华斌，沈壮，程志强，刘兵.无人机航测系统在公路带状地形测量中的应用[J].地球，2015（5）.
[3]严慧敏，王飞.天狼星无人机航测系统在水利工程测绘中的应用[J].测绘通报，2017（7）.
论文作者:潘安
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/22
标签：无人机论文; 测量论文; 天狼星论文; 误差论文; 高程论文; 作业论文; 系统论文; 《基层建设》2019年第19期论文;