薛 武，張永生，戴晨光，趙 玲，包全福

(1. 信息工程大學(xué),河南 鄭州 450001; 2. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3. 礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454003; 4. 91039部隊(duì),北京 102400； 5. 95806部隊(duì),北京100076)

無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

薛 武1,2,3，張永生1，戴晨光1，趙 玲4，包全福5

(1. 信息工程大學(xué),河南 鄭州 450001; 2. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3. 礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 焦作 454003; 4. 91039部隊(duì),北京 102400； 5. 95806部隊(duì),北京100076)

針對目前已有的無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)存在的精度不高、依賴起降場地、續(xù)航能力差等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將Phase相機(jī)、Applanix POS設(shè)備集成在3軸穩(wěn)定對地觀測吊艙內(nèi)，具有垂直起降、載荷量大、續(xù)航能力強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)勢。在嵩山遙感定標(biāo)場開展了測試飛行，結(jié)果表明：系統(tǒng)直接地理定位精度較高，可用于應(yīng)急測圖；在少量控制點(diǎn)參與下，系統(tǒng)定位精度遠(yuǎn)優(yōu)于1∶500測圖要求，可用于大比例尺測圖，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

無人直升機(jī);光電吊艙;攝影測量;嵩山定標(biāo)場;精度驗(yàn)證

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，利用無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行遙感測繪成為攝影測量與遙感的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向[1-6]。國內(nèi)外學(xué)者針對不同平臺(tái)(固定翼、多旋翼等)、不同傳感器(可見光、多光譜、激光雷達(dá)等)的無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測量精度驗(yàn)證和工程應(yīng)用研究，結(jié)果表明無人機(jī)作為遙感平臺(tái)具有明顯的優(yōu)勢和很大的潛力，但是很多問題也亟待解決，如無人機(jī)起降方式、平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性、獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量等。這些問題制約著無人機(jī)遙感測繪的進(jìn)一步發(fā)展與推廣[7-8]。

目前，中小型固定翼無人機(jī)的測繪應(yīng)用最為廣泛，如天寶公司的UX3測繪無人機(jī)、拓普康公司的“天狼星”無人機(jī)、EBee的senseFly全自動(dòng)迷你型無人機(jī)等。針對無人機(jī)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的后處理軟件也得到快速發(fā)展，如瑞士pix4D公司的pix4D Mapper、Agisoft公司的Photoscan Pro、Menci公司的Menci APS等。上述無人機(jī)在小區(qū)域測繪(通常面積<10 km2，如工程測量、災(zāi)害應(yīng)急救援等)中發(fā)揮了重要作用，但仍然有許多有待改進(jìn)提高之處。如中小型固定翼無人機(jī)續(xù)航能力較差，對于100 km2量級的測區(qū)需多次飛行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后期的接邊與幾何處理十分繁瑣；固定翼無人機(jī)通常需要跑道滑跑起飛或著陸，這在很多情況下難以保障，特別是發(fā)生地震、泥石流等自然災(zāi)害需要應(yīng)急測圖的情況下；目前大多數(shù)無人機(jī)上搭載的相機(jī)為普通卡片機(jī)或單反相機(jī)，量測精度較差，特別是高程精度難以滿足大比例尺測圖的要求。

國內(nèi)外學(xué)者針對無人機(jī)攝影測量的研究主要包括兩方面：一是傳感器集成與應(yīng)用，即如何結(jié)合無人機(jī)平臺(tái)的特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)載荷，以獲取質(zhì)量好的數(shù)據(jù)，使之盡可能符合已有的航空攝影規(guī)范要求[2-3]；二是無人機(jī)數(shù)據(jù)處理，主要研究如何提高量測定位精度、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度及數(shù)據(jù)處理速度[9-11]。兩方面的研究是相互制約、相互促進(jìn)的，無人機(jī)平臺(tái)、載荷的發(fā)展完善可以使采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量更好，降低后處理的難度，而數(shù)據(jù)后處理手段的進(jìn)步可以降低對于數(shù)據(jù)獲取的要求，使數(shù)據(jù)采集更加靈活簡便。

本文擬針對已有的無人機(jī)測繪系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)研發(fā)無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)。無人直升機(jī)不依賴于機(jī)場，可以垂直起降，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，續(xù)航能力強(qiáng)，測控半徑大，利用3軸穩(wěn)定光電吊艙搭載大面陣CCD相機(jī)和POS設(shè)備，可以快速完成困難地區(qū)大比例尺測圖任務(wù)。嵩山遙感定標(biāo)場進(jìn)行測試飛行表明，該系統(tǒng)完全滿足1∶500大比例尺測圖的規(guī)范要求，具有重要意義。

1 無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)

為了解決無人機(jī)應(yīng)用中遇到的上述問題，筆者所在院校圍繞無人機(jī)航測改造、多傳感器集成、基于試驗(yàn)場的多傳感器系統(tǒng)檢校持續(xù)開展攻關(guān)工作[1-3，5-6]。在對已有國產(chǎn)無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行考核與改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由無人直升機(jī)、Phase One iXA180面陣CCD相機(jī)、POS AV310組合導(dǎo)航系統(tǒng)、VS-3對地觀測光電吊艙等組成，下面分別予以介紹。

1.1 無人直升機(jī)平臺(tái)

近年來，我國在無人直升機(jī)的研發(fā)方面取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，某研究所研制的系列無人直升機(jī)是一種性能良好的空中平臺(tái)，它集遙控、遙測、GPS導(dǎo)航、空中成像、自動(dòng)控制等多項(xiàng)軟、硬件技術(shù)于一體，如圖1所示。其任務(wù)載荷可達(dá)80 kg，續(xù)航時(shí)間大于6 h，有效測控半徑不少于100 km。該型無人機(jī)在配備不同的任務(wù)設(shè)備時(shí)，可分別作為監(jiān)控偵察機(jī)、無線中繼機(jī)、電子干擾機(jī)等應(yīng)用。之所以選擇無人直升機(jī)，是因?yàn)槠渚哂衅鸾捣奖?，不依賴于機(jī)場，可以空中懸停，可以繞飛、倒飛等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)是固定翼無人機(jī)所不具備的，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、反恐維穩(wěn)等應(yīng)急條件下可以發(fā)揮重要的作用。

圖1 無人直升機(jī)

1.2 機(jī)載任務(wù)載荷

無人機(jī)上搭載了丹麥的Phase One iXA180中畫幅航空面陣CCD相機(jī)，如圖2所示。鏡頭為Schneider-Kreuznach的55 mm鏡頭，CCD由Dalsa公司制造，尺寸53.9 mm×43.4 mm，像素?cái)?shù)為8000萬。在超大畫幅超高像素的基礎(chǔ)上，Phase One新機(jī)還擁有16 bit色彩、12.5級動(dòng)態(tài)范圍，影像質(zhì)量良好。

圖2 Phase One iXA180面陣CCD相機(jī)

為了在攝影的同時(shí)獲取影像高精度的外方位元素，系統(tǒng)集成了POS AV310組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其性能參數(shù)見表1。

表1 POS AV310性能參數(shù)

1.3 VS-3對地觀測光電吊艙

為了盡可能避免無人機(jī)飛行過程中的振動(dòng)對載荷的影響，抵消側(cè)風(fēng)引起的影像旋偏，無人機(jī)上搭載了中船717研究所研制的VS-3對地觀測光電吊艙，如圖3所示。無人機(jī)吊艙配置傳感器后，具有3軸穩(wěn)像、振動(dòng)隔離功能，可以對地面進(jìn)行數(shù)碼拍照及高清成像。實(shí)時(shí)輸出可見光視頻，利用外部GPS實(shí)現(xiàn)傳感器的時(shí)間同步，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器正射成像拍照，具有像旋偏角修正功能。光電吊艙的3軸回轉(zhuǎn)范圍：航向?yàn)椤?0°，橫滾為±10°，俯仰為±12°。

圖3 對地觀測光電吊艙

1.4 系統(tǒng)評價(jià)

就目前來看，本文所設(shè)計(jì)的無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均處于領(lǐng)先水平。無論是平臺(tái)的載荷量、續(xù)航時(shí)間、測控半徑，還是POS的精度、相機(jī)的幅面和幾何性能，均為在目前工業(yè)水平下所能達(dá)到的較理想狀態(tài)。前沿的設(shè)計(jì)理念、先進(jìn)的硬件配置，為獲取高質(zhì)量的航攝數(shù)據(jù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)飛行測試情況

為了驗(yàn)證平臺(tái)的可靠性、穩(wěn)定性、任務(wù)載荷協(xié)同工作情況，在青海茶卡鹽湖、安徽滁州等地開展了多次測試飛行(如圖4所示)，并在中國(嵩山)遙感定標(biāo)場開展了定位精度驗(yàn)證飛行試驗(yàn)。

圖4 無人機(jī)航測遙感試驗(yàn)

嵩山遙感定標(biāo)場(如圖5所示)是由信息工程大學(xué)、武漢大學(xué)與中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心合作建設(shè)的航空航天遙感定標(biāo)場。其中的航空幾何定標(biāo)場面積約為64 km2，共分區(qū)布設(shè)了214個(gè)永久性高精度控制點(diǎn)(平面精度優(yōu)于2 mm，高程精度優(yōu)于1 cm)，并定期更新固定標(biāo)志，用于各種航空相機(jī)或傳感器的檢定[12-13]，控制點(diǎn)的分布如圖5所示。

圖5 嵩山航空定標(biāo)場控制點(diǎn)分布

2015年10月12日、13日，無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)在嵩山定標(biāo)場開展了飛行試驗(yàn)。10月12日在衛(wèi)星遙感定標(biāo)場飛行一個(gè)架次，10月13日在航空幾何定標(biāo)場飛行兩個(gè)架次，具體飛行情況如表2、圖6—圖8所示。

表2 嵩山定標(biāo)場飛行情況

圖6 衛(wèi)星遙感定標(biāo)場航跡

圖7 航空幾何定標(biāo)場航跡(a)

圖8 航空幾何定標(biāo)場航跡(b)

3 系統(tǒng)精度驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)處理流程

無人機(jī)飛行結(jié)束后，對航空幾何定標(biāo)場5 cm分辨率影像進(jìn)行了幾何處理，將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)下載到后處理平臺(tái)，按照內(nèi)業(yè)處理流程進(jìn)行了系統(tǒng)精度驗(yàn)證，主要流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程

3.2 精度驗(yàn)證試驗(yàn)

在航空幾何定標(biāo)場內(nèi)，選擇了成像清晰、分布相對均勻的21個(gè)地面埋石點(diǎn)(如圖10所示)，并量測其像方坐標(biāo)。首先進(jìn)行直接地理定位精度驗(yàn)證試驗(yàn)，將21個(gè)控制點(diǎn)作為地面檢查點(diǎn)，將機(jī)載POS數(shù)據(jù)作為影像外方位元素，根據(jù)多片前方交會(huì)的數(shù)學(xué)模型[14-16]

(1)

按照最小二乘原理計(jì)算檢查點(diǎn)物方坐標(biāo)，并統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)殘差中誤差，見表3。

表3 檢查點(diǎn)物方殘差中誤差 m

為了提高定位精度，特別是盡量剔除系統(tǒng)誤差的影響，引入少量地面控制點(diǎn)參與區(qū)域網(wǎng)平差，平差過程中利用9個(gè)地面控制點(diǎn)、12個(gè)地面檢查點(diǎn)。控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布如圖10所示。

圖10 控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)分布

根據(jù)POS輔助自檢校光束法區(qū)域網(wǎng)平差的數(shù)學(xué)模型，將機(jī)載POS數(shù)據(jù)作為帶權(quán)觀測值進(jìn)行自檢校光束法平差，模型如下

(2)

式中，Vx、Vc、Vs、Vg、Vi分別為像點(diǎn)坐標(biāo)、地面點(diǎn)坐標(biāo)、自檢校參數(shù)、GPS攝站坐標(biāo)和IMU像片姿態(tài)角觀測值的改正數(shù)向量；x=[ΔXΔYΔZ]T為加密點(diǎn)坐標(biāo)未知數(shù)改正數(shù)向量；t=[ΔωΔφΔκΔXSΔYS

統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)的殘差中誤差見表4，殘差分布如圖11所示。

表4 檢查點(diǎn)物方殘差中誤差 m

3.3 結(jié)果分析

利用機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行直接地理定位能夠取得較高的精度，在應(yīng)急情況下，可以不經(jīng)過空中三角測量，直接進(jìn)行目標(biāo)定位、影像正射糾正等，提供目標(biāo)三維坐標(biāo)、正射影像等測繪保障產(chǎn)品。

圖11 檢查點(diǎn)物方殘差

在引入少量控制點(diǎn)后，無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)的幾何定位精度得到了顯著提升，參考國家測繪地理信息局頒布的《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》中1∶500地形圖精度要求(見表5)，系統(tǒng)定位精度遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范要求，完全滿足大比例尺地形圖測繪的需求，可以應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪。

表5 《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》中1∶500地形圖空三精度要求 m

4 結(jié) 語

基于中型無人直升機(jī)遙感平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)，對系統(tǒng)的組成進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。與其他無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有載荷量大、垂直起降、續(xù)航能力強(qiáng)、測控半徑大、性能先進(jìn)等明顯優(yōu)勢。在嵩山遙感定標(biāo)場進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，對系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行了評估，結(jié)果表明該系統(tǒng)直接地理定位精度較高，可以滿足應(yīng)急測繪的需要，少量控制點(diǎn)參與下的區(qū)域網(wǎng)平差精度完全滿足1∶500大比例尺測圖的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Design and Validation of Unmanned Helicopter Photogrammetric System

XUE Wu1,2,3,ZHANG Yongsheng1,DAI Chenguang1,ZHAO Ling4,BAO Quanfu5

(1. Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China; 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054,China; 3. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of National Adminisration of Surveying, Mapping & Geoinformation,Jiaozuo 454003,China; 4. 91039 Troops,Beijing 102400,China; 5. 95806 Troops,Beijing 100076,China)

Aiming at the problems of existing UAV mapping systems,such as low accuracy,depending on takeoff and landing site,poor endurance and so on,a photogrammetric system based on unmanned helicopter has been designed and developed. With Phase camera,Applanix POS equipment integrated in the three-axis stabilized earth observation pod，the system has the advantages of vertical takeoff and landing, great loading capacity, strong endurance ability and high measurement accuracy. Test flights were carried out in Songshan remote sensing calibration field. The results show that the system owns high accuracy of direct geolocation, and so can be used for emergency mapping. With the participation of a small number of control points, the positioning accuracy of the system is far better than 1∶500 mapping requirements, and the system can also be used for large scale mapping, which has important application value.

unmanned helicopter; optical pod; photogrammetry; Songshan calibration field; accuracy verification

薛武，張永生，戴晨光,等.無人直升機(jī)攝影測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].測繪通報(bào)，2017(4)：58-62.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0120.

2016-09-12;

2017-02-06

國家自然科學(xué)基金(41501482);地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(SKLGIE2014-M-3-1);礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KLM201404);軍事測繪導(dǎo)航工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金

薛 武(1988—)，男，博士生，研究方向?yàn)闊o人機(jī)攝影測量。E-mail:xuewu_81@126.com

P23

A

0494-0911(2017)04-0058-05