劉森波，周興華，林旭波，楊 龍，馮義楷

(國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

測繪4.0：拓普康索佳應用方案專欄

無人機航攝系統(tǒng)在海岸帶大比例尺測圖中的應用

劉森波，周興華，林旭波，楊 龍，馮義楷

(國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

總結(jié)了海岸帶測繪技術(shù)的發(fā)展，研究了無像控無人機航攝系統(tǒng)的組成和數(shù)據(jù)處理流程。以即墨市小島灣海岸帶區(qū)域為例，開展了無人機海岸帶大比例尺測圖試驗，并對成果進行了精度分析。結(jié)果表明，在海岸帶地區(qū)，可以利用無人機航攝系統(tǒng)采用無像控點模式實現(xiàn)大比例尺測圖。

無人機；航空攝影測量；海岸帶；數(shù)字表面模型；數(shù)字正射影像

海岸帶是陸地與海洋相互作用的地帶，是沿岸陸地與海岸動力相互作用、具有海陸過渡特點的獨立環(huán)境體系，與人類生存與發(fā)展的關(guān)系非常密切。我國海岸線漫長曲折，海岸帶資源豐富，開展海岸帶地區(qū)大比例尺測圖，可以為海岸帶開發(fā)利用與保護提供基礎(chǔ)資料，具有重要意義。海岸帶測繪最初采用傳統(tǒng)地形測量方式，效率低下；后利用衛(wèi)星遙感影像進行大比例尺測圖，成本高，現(xiàn)勢性和分辨率都受到極大限制[1]。近年來，無人機遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，為海岸帶及海島礁等大比例尺測繪提供了新的技術(shù)手段[2-6]。無人機作為一種新型遙感監(jiān)測平臺，飛行操作智能化程度高，可按預定航線自主飛行、攝影，實時提供遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和低空視頻數(shù)據(jù)，具有機動性強、分辨率高、便捷、成本低、安全等特點[7]。

地形復雜或遠離大陸的海島海岸帶地區(qū)缺少控制點，一般采用GNSS+IMU輔助空中三角測量技術(shù)，以減少對地面控制點的依賴[8-9]。該方法利用GNSS獲取攝站三維坐標，利用IMU精確獲取航攝儀姿態(tài)變化參數(shù)，在地面布設(shè)一定數(shù)量的控制點參與空三，在提高作業(yè)效率的同時，滿足精度要求[10-11]。

天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)采用無像控模式，只需在測區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的檢核點即可，徹底擺脫了地面控制點對航空攝影測量的束縛，進一步提高了效率[12-14]。本文利用天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)在即墨市小島灣海岸帶區(qū)域進行了1∶1000比例尺航攝試驗，取得了該區(qū)數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像，并且對成果精度進行了分析。

1 天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)的組成

天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)主要由飛機平臺、航攝傳感器、動態(tài)差分系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理軟件等組成。

天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)機身采用超輕泡沫材料，平臺主要性能參數(shù)見表1。

表1 天狼星PRO航空測圖平臺主要性能參數(shù)

1.2 航攝傳感器

無人機內(nèi)置富士XM-1相機，18.5 mm定焦鏡頭，APS-C X-Trans CMOS傳感器，具體參數(shù)見表2。

1.3 差分定位系統(tǒng)

天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)的差分定位系統(tǒng)由機載GNSS接收機、地面GNSS基站、數(shù)據(jù)發(fā)射器和GNSS數(shù)據(jù)差分處理單元組成。通過GNSS實時差分技術(shù)，實時解算飛機在空中的精確位置。GNSS接收機采用雙頻技術(shù)，使得定位精度大大提高。

表2 內(nèi)置富士XM-1相機主要性能參數(shù)

1.4 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)由地面遙控和自駕兩大部分組成。在飛機起飛拋出后，飛機根據(jù)計劃測線計算飛行角度和爬升高度，通過機載自駕系統(tǒng)控制飛行?；厥者^程由地面人員通過地面控制中心進行遙控，或進行輔助干預，這樣做更有利于飛行安全。隨機自帶的飛控軟件為MAVinci Desktop，利用它可以自動生成航線，編輯飛行計劃，還可進行飛行監(jiān)控。

原轉(zhuǎn)向架電磁鐵梁和防側(cè)滾梁壁厚分別為25 mm、12 mm。為提高1階固有頻率，增加電磁鐵梁及防側(cè)滾梁的壁厚至30 mm、15 mm。通過測試得到改進的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)Z方向的1階固有頻率為8.3 Hz，比原轉(zhuǎn)向架提高了32.4%。對改進后中低速磁浮列車轉(zhuǎn)向架的振動信號進行實測分析。在主梁中間位置，即點28處垂直安裝壓電加速度計,轉(zhuǎn)向架通電后處于懸浮狀態(tài)，同時轉(zhuǎn)向架以80 km/h的速度沿著試驗軌道運行一小段時間，此時采集測點的振動加速度。圖9為截取1 s的振動加速度信號。

1.5 數(shù)據(jù)后處理軟件

AgiSoft PhotoScan Pro數(shù)據(jù)后處理軟件與MAVinci Desktop完美銜接，可直接讀取和處理由MAVinci Desktop生成的數(shù)據(jù)處理工程文件。自帶平差系統(tǒng)，無需借助第三方軟件，自動化生成并匹配密集點云，對影像自動拼接、勻色和鑲嵌，可自動化智能化處理，一步直接導出DOM、DSM和點云數(shù)據(jù)。

2 工程應用實例

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于青島市藍色硅谷核心區(qū)小島灣北部，東起國家深?；毓芾碇行?，西至青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室，東西全長6.5 km，南北最寬處1.9 km，總面積5.4 km2。測區(qū)北面為高山，南面為沙灘、礁石和養(yǎng)殖區(qū)，地勢起伏大，地貌類型多樣。

2.2 航線布設(shè)

采用針對地形模式的偏航角模式，風偏航角設(shè)置為121°，為控制相片質(zhì)量，最大橫滾角和最大俯仰角均設(shè)為10°。地面采樣距離為8 cm，航向重疊度80%，最小航向重疊為70%，旁向重疊60%，飛行高度為311 m。地面安全高度為171 m。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置，軟件自動將測區(qū)劃分為3個子測區(qū)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在MAVinci Desktop軟件中分別生成3個架次的匹配文件，選擇多個匹配導出到AgiSoft PhotoScan Pro軟件中進行數(shù)據(jù)處理。處理參數(shù)設(shè)置如下：GPS類型DGPS_RTK，GPS默認精度2 cm，高對齊方式，高密集點云模式，地面采樣距離根據(jù)規(guī)范要求應設(shè)置為10 cm。檢查參數(shù)設(shè)置無誤后選擇“無地面控制點處理”模式。

試驗區(qū)生成的數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)如圖1和圖2所示。

圖1 數(shù)字表面模型

2.4 精度分析

在測區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)12個檢核點，將實測三維坐標與圖上三維坐標作差來確定各點的位置誤差，最終評定整個測區(qū)數(shù)字正射影像圖的平面精度和數(shù)字表面模型的高程精度，見表3。

由表3可知，DOM平面中誤差為6.1 cm，最大較差為20.2 cm；DSM高程中誤差為11.9 cm，最大較差為18.2 cm。符合1∶1000比例尺測圖精度要求。

3 結(jié) 語

隨著無人機航攝技術(shù)及GNSS定位技術(shù)的發(fā)展，利用無人機航攝系統(tǒng)在無像控點模式下開展大比例尺測圖已是大勢所趨。本文以天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)為例，在海岸帶地區(qū)進行了應用研究，對航攝成果的精度進行了分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 天狼星PRO航空測圖系統(tǒng)采用無像控作業(yè)模式在海岸帶地區(qū)進行1∶1000比例尺測圖的精度符合規(guī)范要求。另外該型無人機體積小、操作簡便、穩(wěn)定可靠、不受起降場地和像控點限制，特別適合不易布設(shè)像控點區(qū)域測圖。下一步將探索該型無人機在海島礁特別是遠離大陸的無控制點海島的應用研究。

(2) 海岸帶地區(qū)瀕臨海洋，由于海水的不規(guī)則運動，導致海水紋理不固定，部分像片及其像主點落水后，空三加密過程中無法確定正確的連接點，最終會影響成果的精度。下一步將開展相關(guān)研究，平差前剔除海面配準錯誤的連接點，進一步提高海岸帶地區(qū)無人機航空攝影測量成果的精度，為開展1∶500無像控無人機航攝工作做技術(shù)準備。

(3) 在后期的工作中，將研究DSM或點云數(shù)據(jù)的精細化處理方法，將DSM轉(zhuǎn)換為標準DEM成果。

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中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項基金(2015G16)

劉森波(1986—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為海洋測繪。E-mail:liusenbo@fio.org.cn