傳統(tǒng)的航空航天測量技術(shù)因成本高、現(xiàn)勢性不強、受天氣條件影響大等原因，一般用于大范圍中小比例尺測量任務(wù)。而基于無人機平臺的航空測量技術(shù)具有成本低、機動靈活、時效性強的特點，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，在大比例尺測圖、災(zāi)害應(yīng)急處理、地理國情監(jiān)測等領(lǐng)域擁有獨特優(yōu)勢，正逐步成為空間地理信息獲取的重要手段。
目前，基于無人機的大比例尺航空攝影測量需要布設(shè)一定數(shù)量的像控點，工作強度大，精度低。針對像控點布設(shè)的缺陷與不足，本文基于天狼星無人機航測系統(tǒng)，探討了在無控制點的前提下，利用固定翼無人機進行1∶500 數(shù)字測圖的流程和關(guān)鍵技術(shù)，并通過工程實例對天狼星無人機航測系統(tǒng)在1∶500 測圖中的可行性進行探究。
天狼星無人機航測系統(tǒng)
天狼星無人機航測系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、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 無人機飛行平臺
該飛行平臺是手拋式固定翼無人機，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)包括機載自主控制和地面人工控制兩大部分。無人機的升空過程和回收過程由地面人員通過地面控制系統(tǒng)進行控制，飛機到達預(yù)先設(shè)定的高度后，通過機載自動控制系統(tǒng)進行自動駕駛，并可以在兩種模式下自由切換。
機載控制系統(tǒng)的POS 通過RTK 動態(tài)差分技術(shù)和IMU 慣性測量裝置直接在航測飛行過程中實時測定無人機的位置和姿態(tài)，并由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進行傳輸，通過地面控制平臺顯示飛行姿態(tài)、速度、高度、方位等相關(guān)參數(shù)。
1.3 影像傳感器
天狼星無人機搭載的傳感器為普通非量測數(shù)碼相機松下GX-1，相機焦距為14 mm;定焦1 600 萬像素;相機快門速度在靜態(tài)模式下為60～1/4 000 s;閃光同步速度為1/160 s;在動態(tài)模式下分別為1/30～1/6 000 s、1/25～1/6 000 s。
無人機大比例尺測圖關(guān)鍵技術(shù)
2.1 自適應(yīng)航線設(shè)計
天狼星無人機航測系統(tǒng)配套的MAVinci Desktop 軟件包含面向全球的影像數(shù)據(jù)，在確定目標測區(qū)后，軟件可以自動下載測區(qū)影像。通過在影像上添加角點定義飛行范圍，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)，實現(xiàn)航線的自動規(guī)劃。針對高差起伏大的區(qū)域，采用航高固定不變的飛行計劃，則地面采樣距離和重疊度不能達到要求，而天狼星無人機可以根據(jù)地形起伏自動調(diào)整航高，不僅確保設(shè)計的地面采樣距離和重疊度保持不變，同時可以自動避障，保證了飛行安全。
自適應(yīng)航線設(shè)計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)計的航向重疊度;B 為攝影基線長度，單位為m。
對于大范圍測區(qū)，航線設(shè)計需要綜合考慮測區(qū)面積、地形地貌、續(xù)航能力等諸多因素，對此，MAVinci Desktop 可以對測區(qū)進行自動分割，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
天狼星無人機搭載的是非量測相機松下GX-1，在攝影成像過程中，由于存在鏡頭畸變，使得實際像點位置坐標偏離理想像點坐標。該相機焦距固定，則鏡頭畸變屬于系統(tǒng)誤差，對每張像片產(chǎn)生同樣的影響。本文利用直接法進行像片的畸變糾正，即將原始像片上的每個像元按照畸變改正模型進行改正，計算出改正后的對應(yīng)像點坐標，并保持灰度值不變?；兗m正模型如下：
式中，(x, y) 表示無畸變像點在以左上角為原點的像平面坐標系下的坐標;(x0, y0)表示像主點坐標;(xu, yu) 表示以像主點為原點的像平面坐標系下的坐標;(xd, yd) 表示畸變糾正后的像點坐標;K1, K2, …, Kn 表示徑向畸變參數(shù)，由相機標定獲得;P1, P2, …, Pn 表示切向畸變參數(shù)，由相機標定獲得;表示(xu, yu) 的徑向距離。
2.3 POS 輔助空中三角測量
在傳統(tǒng)航測中，像控點的布設(shè)是航測的基礎(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，控制點的布設(shè)方式和穩(wěn)定性以及內(nèi)業(yè)刺點都直接影響著測量結(jié)果的精度。無人機所搭載的非量測相機，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來保證精度。
POS 輔助空中三角測量技術(shù)的出現(xiàn)，有效解決了低空無人機攝影測量對地面控制點的依賴問題。不同于傳統(tǒng)的航測流程，天狼星無人機航攝系統(tǒng)集成了高更新頻率的機載RTK 和IMU 慣性測量單元，在航空攝影的同時，100Hz 的實時差分RTK 模塊通過載波相位差分技術(shù)，將一臺GNSS 接收機安置在基準站，與機載接收機進行同步觀測，根據(jù)基準站的已知坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并對機載接收機的定位結(jié)果進行改正，從而獲取無人機拍攝每張像片時的精確坐標，使得每張像片的位置信息實現(xiàn)和地面控制點同樣的功能。同時，通過慣性測量單元IMU 來感測無人機的加速度、旋轉(zhuǎn)角度等，經(jīng)過積分運算，實時測定無人機的位置姿態(tài)信息。將GNSS 的精確坐標和IMU 的姿態(tài)參數(shù)進行聯(lián)合后處理，求取每張像片的6 個高精度外方位元素，從而實現(xiàn)無控制點空中三角測量。
POS 輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差包含三類觀測值：像點坐標觀測值、GNSS 接收機測定的攝站點坐標觀測值和IMU 測定的無人機姿態(tài)角觀測值。同時，考慮加入GNSS 和IMU 觀測值包含的與航攝飛行時間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 表示實際曝光時刻投影中心的坐標;R 表示影像外方位元素的3 個角元素φ、ω、κ 所構(gòu)成的正交變換矩陣;[x y -f ]T 表示像點在像空間坐標系下的坐標值;λ 是投影系數(shù)，在解算過程中相互抵消;[X Y Z]T 表示像點在像空間輔助坐標下的坐標值;[X Y Z]T GNSS 表示相機曝光時刻記錄的攝站點GPS 位置;[x y z]T GNSS 表示GPS 天線相位中心在像空間坐標系下的坐標值;[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)中固定部分和隨時間變化部分;t 表示該曝光點的曝光時刻，t0 表示參考時刻。
應(yīng)用實例
3.1 測區(qū)概況
某測區(qū)是東西長約4 km、南北寬約1 km 的近似矩形區(qū)域。測區(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，整體地勢平坦，平均海拔25 m，空域良好，天氣晴，微風，適合無人機進行低空攝影測量。本次工程平面坐標系統(tǒng)為1954 年北京坐標系，高程系統(tǒng)為1985 國家高程基準。
3.2 航測流程
天狼星無人機航測系統(tǒng)進行大比例尺測圖主要包括影像獲取和數(shù)據(jù)處理兩個環(huán)節(jié)，基本流程如圖1所示。
3.2.1 影像獲取
根據(jù)測區(qū)概況，用MAVinci Desktop 軟件在GoogleEarth 影像上制定飛行計劃，覆蓋飛行區(qū)域，在實地踏勘后對飛行計劃進行調(diào)整與優(yōu)化。本次航飛分割為兩個架次，航線總長約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)計如圖2 所示。
由于天狼星無人機集成了高精度的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，僅需在已知點架設(shè)基準站即可開始無人機航空攝影。
3.2.2 數(shù)據(jù)處理
天狼星無人機航測系統(tǒng)首先利用MAVinci Desktop軟件對航測像片進行畸變糾正、勻光勻色和影像匹配等預(yù)處理。然后導(dǎo)入Agisoft Photoscan Pro 軟件對影像匹配數(shù)據(jù)進行后處理。依據(jù)攝影測量的原理，利用航攝像片、POS 數(shù)據(jù)和RTK 基準站的坐標數(shù)據(jù)，通過嚴密光束法區(qū)域網(wǎng)平差計算出每張像片的位置、姿態(tài)等6 個外方位元素，完成空三加密，進而通過建立密集點云生成格網(wǎng)和紋理，獲得高分辨率的DOM(圖3)和DEM(圖4)，最后對DOM 進行矢量化，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)檢核與精度評定
為了探究天狼星無人機航測系統(tǒng)在大比例尺測圖中的可行性和可靠性，本工程在測區(qū)內(nèi)均勻選取了50 個具有明顯特征的地面檢核點，包括房角、墻角、地面坎角等，并采用GNSS RTK 進行坐標采集，然后與影像上對應(yīng)點的量測坐標進行對比，計算x、y、h 3 個方向的較差，并根據(jù)中誤差公式求得平面中誤差和高程中誤差。其中，同名點的平面坐標通過DOM數(shù)據(jù)直接量測，而高程則通過DOM 套合DEM 生成數(shù)字表面模型DSM，并在DSM 上量測同名點的高程值，如表2。
由此可知：
1)x 和y 方向坐標偏差整體趨勢一致，中誤差基本相等，且均低于地面采樣距離，達到了各方向坐標偏差約等于地面采樣距離的預(yù)期。
2)檢核點平面點位較差最大值為0.059 m，最小值為0.019 m，平面點位中誤差為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的平面位置中誤差不應(yīng)大于0.3 m，所以，平面精度遠遠高于規(guī)范要求。
3)檢核點z 方向坐標偏差整體大于x 和y 方向的坐標偏差，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)字高程模型檢核點的中誤差不應(yīng)大于0.2 m，所以，高程精度同樣可以達到規(guī)范要求。
4)分析發(fā)現(xiàn)，占88% 的檢核點的影像量測高程值高于實測高程，原因可能是在數(shù)字表面模型DSM 上進行高程值量測時，有植被覆蓋的區(qū)域沒有準確地切合到地面，未能反映地表的真實高程值。
結(jié)語
本文通過工程實例表明，在平原地區(qū)由天狼星無人機航測系統(tǒng)得到的DEM、DOM 能夠達到1∶500 數(shù)字測圖的要求，驗證了其在免像控大比例尺地形圖測繪中的可行性。與傳統(tǒng)無人機測圖相比，不僅提高了測圖精度，更提高了工作效率。但是，本文所選測區(qū)面積較小，且地勢較為平坦，在接下來的工作中，會繼續(xù)選擇更大范圍、地形起伏大的區(qū)域進行航測實驗，以提高天狼星無人機航測系統(tǒng)的普適性。
隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，國家低空空域有序開放，集成了高精度POS 系統(tǒng)的免像控無人機航測技術(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繪、災(zāi)害應(yīng)急處理、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域。
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