无人机大比例尺航测系统的研制及应用
来源：《测绘通报》2017年第6期
作者：邓学锋，贺雅辉，高宇
第一作者简介: 邓学锋，男，高级工程师,主要研究方向为测绘地理信息技术与应用
目前多数无人机由于体型小、载荷有限，多搭载轻小型非量测普通相机作为影像获取装备，而用于定位定姿等的辅助设备通常重量和体积较大，难以集成于无人机低空遥感平台上，限制了无人机航空摄影测量在大比例尺(如1 ∶ 500)测图中的应用。此外，由于非量测相机的内方位元素和镜头畸变系数未知，光学系统不稳定，使得获取的航空影像难以满足大比例尺测图的精度要求。 尽管无人机载GPS辅助系统在我国西部中小比例尺地形图测绘中得到了广泛应用，但对于成果精度需求较高的项目，如生产1∶500—1∶1000 大比例尺地形图，仍难以满足成图精度要求， 因此，研制适用于大比例尺地形图测绘的无人机搭载平台，具有成本低、易推广等特点，以及重要的实际应用价值。
时间延迟积分(TDI)技术可大幅度提升航空影像的几何分辨率，为无人机低空摄影测制大比例尺地形图提供了良好的数据支持，而GPS 硬件与低空摄影系统的集成也为无人机大比例尺航测系统提供了可靠的技术支撑。 本文利用时间延迟积分(TDI)技术和GPS 辅助系统，自主研制了相机稳定云台装置，并与无人机载GPS 辅助航测系统进行集成，形成了无人机大比例尺航测系统，在“数字固始地理空间框架建设”项目中进行了1 ∶ 500 地形图测绘。结果表明该系统在航摄过程中内方位元素表现稳定，获得的航摄影像质量高，成图精度满足国家相关规范要求，并大量减少了外业工作量，显著提高了生产效率。
1、加装云台稳定装置的无人机载GPS 辅助航测系统
为克服无人机载荷小、无法搭载大型量测型相机等问题，使之满足大比例尺航测需求，本文选用轻小型量测型相机，并研制了能够保持航飞过程中相机姿态角稳定的三轴稳定云台装置，然后与定制的小型双频高动态GPS 进行集成，组成影像获取系统。无人机航空摄影过程中，该GPS 设备可高速、动态地观测并记录卫星信号，同时记录航摄相机曝光瞬间快门打开至最大的脉冲时刻，并根据17h 后的快速星历处理结果获取摄站点的空间三维坐标ꎬ作为后续空三加密的代权观测值参与平差。
1.1 加装三轴稳定云台的量测相机与GPS 集成
航空影像质量直接影响到大比例尺航测法成图精度，因此在航摄过程中，要求相机姿态稳定，内方位元素及光学畸变已知。 本文对无人机相机搭载系统进行了设计和研发，集成了小型量测型相机和GPS 辅助系统ꎬ具体过程如下:
(1) 选用丹麦飞思公司改进的IXU-1000 工业相机作为影像获取装备，并在设计建立的室内外检校场，对相机的内方位元素、光学畸变进行了标定，利用共线条件方程进行定标的公式为：
式中，Δx、Δy 为畸变改正参数， 考虑径向畸变、偏心畸变及仿射变形，最终改正模型为：
式中，k1、k2、p1、p2 为畸变系数，b1、b2 为CCD 像元的非正方形和CCD 阵列的不垂直性引起的仿射和剪切畸交换系数。
(2) 设计研制了用于搭载小型相机的三轴稳定云台装置，实现了相机姿态角的控制，并对相机进行了姿态校正。 不同比例尺航测成图对摄影时的倾斜俯仰和侧滚姿态均有不同限制，无人机大比例尺航测时航高多处于500~1500 m，气流变化大，飞行姿态极易受气流影响，造成航倾角过大，从而影响成图精度， 因此，为保持相机在航飞过程中姿态稳定，本文自主研制了一种三轴稳定云台装置(如图1 所示)，能够实时控制航空摄影时无人机的飞行姿态，使获得的航空影像满足大比例尺测图的规范要求。
图1 三轴稳定云台
(3) 在稳定云台上集成了重量不足300 g 的小型双频GPS 接收机，用于记录GPS 卫星信号，总体集成系统如图2 所示。
1.2 event mark 时刻的准确性标定
event mark 时刻的准确性影响到摄站点坐标的精度，因此必须对相机脉冲信号进行标定，使其处于相机快门打开与关闭的中间时刻。 本系统机载GPS选用了高动态量测型航空天线，采样频率设置为2 Hz，相机曝光时，当快门开启到最大时向GPS 发送一个高电平脉冲(event mark)，并记录到GPS 文件，通过该时刻可内插出所有摄站点的空间位置。
1.3 无人机载GPS 数据处理
考虑到GPS 在飞行过程中连续观测存在漂移量，平差时需要对GPS 数据进行逐航线改正，以消除GPS 连续观测累计的漂移误差。 本文将下载后的机载GPS 数据联合同一时段的快速星历进行平差解算，利用地面控制点数据，并结合每张相片曝光时刻内插出每张像片的3 个直线元素。
2、无人机大比例测图及精度评价
本文利用自主研发的无人机航测系统完成了固始县城规划区39 km2 的1 ∶ 500 地形图测绘任务，并对成图精度进行了分析与评价， 固始县位于河南省中东部，属平原地区，平均海拔50 m，测绘范围覆盖部分建成区和城乡结合部，包括了大比例尺地形图测绘的诸多要素，具有一定的代表性。
2.1 航线布设与测图
在测区39 km2 范围内设计布设11 条航线ꎬ地面分辨率为5 cm，其中构架航线布设两条，地面分辨率设计为6.5 cm，设计的航线布设方案如图3 所示， 选择4 个像片控制点、9 个检查点ꎬ为检查和评定空三加密精度，在测区内选择分布均匀的10 个明显地物点作为平高检查点。
图3 航线与构架航线布设方案
2.2 测图过程
利用全数字摄影测量系统导入空三加密成果，进行地物地貌要素的立体采集，形成调绘工作底图，外业根据工作底图进行实地调绘，查缺补漏并进行精度检测，最终编辑1 ∶ 500 地形图。
2.3 成图精度分析和评价
采取随机抽样法抽取4 幅图进行精度检验，分别检查两幅图的高程和平面位置精度，每幅图利用RTK 实地采集30 个高程点和平面点坐标，分别与地形图上相应的点进行对比，据此对精度进行分析评价，检查点的高程中误差按下式计算(结果见表1)
式中，m1 为高程中误差，n 为检查点个数，di 为检测点图上高程与实测高程的较差。
表1 高程精度统计
检查点的平面中误差按下式计算(结果见表2)
式中，m2 为平面位置中误差，n 为检查点个数，ds 为检测点图上位置与实测值的较差。
表2 平面位置精度统计
1 ∶ 500 比例尺地形图航测成图规范要求:高程中误差为±0.2 m，平面位置中误差为±0.2 m 和±0.3 m，城市测量规范的相应规定则分别为±0.15 m和±0.2 m， 由表1 和表2 可以看出，高程和平面中误差完全满足相关规范精度要求， 实际应用结果表明，利用本文研发的无人机载GPS 辅助航摄测图系统，采用四角布设像控点原则，能满足1 ∶ 500 大比例尺地形图成图精度要求。
2.4 生产效率对比
将无人机大比例尺航测成图方法与常规航测成图方法进行对比，在像控点布设数量、作业天数及作业效率方面具有明显的优势，详见表3，
表3 生产效率对比情况
由表3 可知，常规航测成图法布设像控点300 个，而本文方法所需像控点仅为13 个(约为常规方法的4%)，作业天数由20d 缩短为3d，大幅度减少了野外像片控制测量工作量，显著提高了外业作业效率。
3、结 语
本文采用自主集成的无人机载GPS 辅助航摄系统进行1 ∶ 500 大比例尺地形图生产，结果表明该系统在大比例尺测图中能够满足国家航测成图规范及城市测量规范的精度要求，同时显著提高了生产效率，为我国无人机大比例尺地形图测绘工作提供了经验和借鉴。
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