山西省電力勘測設(shè)計(jì)院 李少龍

北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司 蔣國輝

一、引 言

近年來，無人機(jī)(unmanned aerial vehicles，UAV)攝影測量技術(shù)發(fā)展迅速，在大比例尺地形圖測繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。盡管如此，無人機(jī)操控難度大、數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜等因素在很大程度上制約了該技術(shù)的應(yīng)用。

美國Trimble公司旗下Gatewing公司推出的無人機(jī)X100(天鷹)機(jī)身輕小、操作簡便，國外的測試結(jié)果表明其攝影測量成果數(shù)據(jù)精度可達(dá)到平面5 cm、高程10 cm的水平。為了測試其性能，筆者選取一個面積約1 km2的公園作為試驗(yàn)區(qū)，利用X100實(shí)地采集航空影像，經(jīng)空三處理后利用檢查點(diǎn)對比計(jì)算其精度，分析和評價X100應(yīng)用于大比例尺地形圖測繪的可行性和適用性。

二、無人機(jī)系統(tǒng)介紹

天鷹X100由Trimble旗下的比利時Gatewing公司生產(chǎn)，機(jī)長60 cm，翼展100 cm，飛機(jī)使用碳纖維材料，凈重2.2 kg，動力系統(tǒng)采用鋰電池驅(qū)動無刷電機(jī)，巡航速度80 km/h，飛行高度100～750 m，續(xù)航時間45 min。飛機(jī)采用彈射起飛、機(jī)腹滑降模式，爬升、攝影和降落過程都按地面控制系統(tǒng)事先設(shè)定的路線自主完成(如圖1所示)。

圖1 X100無人機(jī)

無人機(jī)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以自動駕駛儀EBOX為核心，連接電機(jī)、機(jī)翼動作桿等動力系統(tǒng)，導(dǎo)航GPS、氣壓計(jì)、空速傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)等構(gòu)成的姿態(tài)傳感及控制系統(tǒng)，數(shù)碼相機(jī)，并通過數(shù)傳電臺與地面控制站進(jìn)行實(shí)時通信。

X100搭載了一款理光GR digital 4高端卡片數(shù)碼相機(jī)，CCD尺寸1/1.7英寸，分辨率為3648像素×2736像素，每個像素大小為2 μm，采用6 mm的定焦鏡頭。

三、試驗(yàn)過程

1.試驗(yàn)區(qū)概況與航攝方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于某市一體育公園內(nèi)，南北長約1.5 km，東西寬約1 km，平均海拔840 m，地形平坦。公園內(nèi)有體育館、道路、花圃等建構(gòu)筑物和人工設(shè)施，便于選取影像分辨精度高的地面控制點(diǎn)。

在試驗(yàn)區(qū)測設(shè)了188個野外控制點(diǎn)。這些控制點(diǎn)均勻分布于試驗(yàn)場內(nèi)，都是各類人工設(shè)施的拐角等，色彩對比明顯，從像片上可以清晰辨認(rèn)?？刂泣c(diǎn)采用假設(shè)坐標(biāo)系和假設(shè)高程系，使用天寶R8 GNSS實(shí)時動態(tài)模式測量，測量精度優(yōu)于3 cm。航攝方案按區(qū)域網(wǎng)設(shè)計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。無人機(jī)控制器自動設(shè)計(jì)攝影路線。

表1 航攝方案技術(shù)參數(shù)

2.數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗、能見度較高，風(fēng)速約4～5級。起降場選擇在試驗(yàn)區(qū)以東5 km的一塊休耕的空地，按作業(yè)手冊的要求，場地長度不小于100 m，寬度不小于30 m。

起飛前需在地面控制器上設(shè)置測區(qū)范圍、航高、航向、旁向重疊度，以及起降位置等參數(shù)，并上傳至飛機(jī)。

X100的彈射架為鋁合金折疊裝置，展開后長度3 m。彈射動力來自4根橡膠繩索，人工轉(zhuǎn)動絞盤上緊后安置飛機(jī)，發(fā)射角度24°。

然后按作業(yè)手冊規(guī)定逐項(xiàng)檢查飛機(jī)工況，整個準(zhǔn)備過程耗時約20 min。一切就緒后，點(diǎn)擊控制面板上的緊急情況處理指令，按下發(fā)合閘，無人機(jī)被迅速彈出，電機(jī)自動啟動，無人機(jī)即按照設(shè)定起飛路線爬升，飛向測區(qū)(如圖2所示)。

X100飛行過程中向地面控制器實(shí)時回傳航跡、航速、航高等參數(shù)，如有意外情況，通過控制器發(fā)出指令，飛機(jī)可以原地、左轉(zhuǎn)300 m、右轉(zhuǎn)300 m盤旋，或終止飛行任務(wù)，立即返航降落。

整個航攝過程用時90 min，共拍攝像片479張。

圖2 X100彈射起飛

3.空三加密計(jì)算及結(jié)果分析

本次試驗(yàn)使用俄羅斯Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行空三加密計(jì)算。計(jì)算前利用相機(jī)檢校參數(shù)對原始影像進(jìn)行畸變糾正。模型連接完成后，人工加刺16個地面控制點(diǎn)，其中6個為檢查點(diǎn)。平差后，6個檢查點(diǎn)中平面位置不符值最大為0.09 m(Δx)和0.15 m(Δy)，高程不符值最大為0.14 m，計(jì)算界面如圖3所示。

從平差結(jié)果可以看出，由于本次測試設(shè)計(jì)的航向和旁向重疊度比較大，自動提取的連接點(diǎn)多數(shù)達(dá)到9°以上重疊，連接強(qiáng)度大，只需少量地面控制點(diǎn)即可取得滿意的平差結(jié)果。

圖3 空三加密計(jì)算界面

4.現(xiàn)場檢查結(jié)果分析

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)精度質(zhì)量，在試驗(yàn)場地中布設(shè)的地面控制點(diǎn)中選取了95個點(diǎn)，比較其GPS測量成果與立體模型中的人工測量成果，坐標(biāo)及高程較差平均值分別為0.08 m(Δx)、0.07 m(Δy)和0.14 m(Δh)，對應(yīng)的較差中誤差分別為0.05 m、0.06 m和0.09 m。此結(jié)果也進(jìn)一步說明了該試驗(yàn)區(qū)攝影測量的成果質(zhì)量和精度符合1∶1000地形圖成圖的要求。圖4為地面檢查點(diǎn)高程較差的分布情況。

圖4 檢查點(diǎn)Δh分布

四、結(jié) 論

1)天寶X100無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)體積小，運(yùn)輸方便，設(shè)備的安裝部署及飛行和攝影參數(shù)的設(shè)置都十分快捷簡便，飛機(jī)起降和執(zhí)行任務(wù)的自動化程度很高，操作人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)后就可以獨(dú)立完成航空攝影任務(wù)，極大地方便了很多測繪單位和部門自主開展無人機(jī)小區(qū)域和應(yīng)急測繪工作。

2)X100系統(tǒng)的安全性和可靠性設(shè)計(jì)達(dá)到了相當(dāng)?shù)母叨取ｏw機(jī)的重量、體積和泡沫復(fù)合材料外殼使其在極端情況下都不至于產(chǎn)生致命傷害。飛行過程與控制系統(tǒng)的實(shí)時通信保證了操作人員對飛機(jī)的監(jiān)測與控制，自動化的起降避免了因操作失誤而引發(fā)事故。飛機(jī)內(nèi)還裝置了野外位置發(fā)射器，即使飛機(jī)意外失蹤也可以靠它找回。

3)從試驗(yàn)的結(jié)果來看，X100的攝影成果精度達(dá)到了常規(guī)1∶1000測圖的要求。對于小區(qū)域測圖項(xiàng)目來說，利用X100無人機(jī)進(jìn)行攝影測量是一種很有效的解決方案。

（本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦）