无人机大比例尺航测系统的研制及应用
刘伟
[摘 要]近年来，无人机以其外形轻巧、起降成本低、获取影像快速及时等优点，在很多行业中得到了广泛应用。尤其是在利用无人机快速获取地面影像、进行大比例尺航测测图方面，很多专业人士进行了尝试并获取了符合精度要求的地理空间数据，但在进行1：500航测成图方面，具体应用实例并不多。
[关键词]无人机；大比例尺；航测系统；应用
中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0073-01
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，显著提高了生產效率。
1 基于无人机的航测大比例尺成图方法
首先利用无人机航空摄影系统对项目区域进行航空摄影，获取本地区合格的无人机影像后进行外业像片控制点测量，内业通过空三加密，建立数字立体模型进行地物的立体采集。同时，利用ALS60机载激光扫描系统获取的点云数据（已有资料）经手工精细分类生成等高线，提取高程点。利用点云数据来辅助生成等高线、提取高程点是本文的一个创新点，通过此方法来提高大比例尺测图的高程精度，解决了以前常规方法中高程精度不达标的问题。然后叠加地物数据，生成外业调绘底图，经实地调绘、修补测及检测，内业再利用编辑软件平台，以立体采集的数据为基础，参照外业调绘成果对数据进行编辑，加注各类注记要素，进行图面整饰等，最后形成符合规范要求的数字化地形图。
2 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，作为后续空三加密的代权观测值参与平差。
2.1 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，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
（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500～1500m，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，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。
2.2 eventmark时刻的准确性标定
eventmark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2Hz，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（eventmark），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。
2.3 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。
3 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39km2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50m，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。
3.1 航线布设与测图
在测区39km2范围内设计布设11条航线，地面分辨率为5cm，其中构架航线布设两条，地面分辨率设计为6.5cm，设计的航线布设方案。选择4个像片控制点、9个检查点，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。
3.2 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。
3.3 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。
1∶500比例尺地形图航测成图规范要求：高程中误差为±0.2m，平面位置中误差为±0.2m和±0.3m，城市测量规范的相应规定则分别为±0.15m和±0.2m。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。
3.4 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。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。
4 结论
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。
参考文献
[1] 黄世德.航空摄影测量学[M].北京：测绘出版社，2016.
[2] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2016.endprint
