唐少杰

TANG Shao-jie

（貴州省地礦局測(cè)繪院）

(Institute of Surveying and Mapping, Guizhou Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources)

差分GPS在無人機(jī)航測(cè)遙感及攝影測(cè)量中的應(yīng)用研究

唐少杰

TANG Shao-jie

（貴州省地礦局測(cè)繪院）

(Institute of Surveying and Mapping, Guizhou Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources)

無人機(jī)的出現(xiàn)，使得航空攝影測(cè)量出現(xiàn)了新的發(fā)展機(jī)遇。文章就如何建立高效的無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)，使其高效的應(yīng)用到航空攝影測(cè)量中進(jìn)行了描述，為相關(guān)研究工作人員提供參考。

無人機(jī)；差分GPS；應(yīng)用

1 引言

無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，給空間信息采集創(chuàng)造了巨大便利，一方面降低了大量的勞動(dòng)力，另一方面也極大地提高了信息收集的準(zhǔn)確性。相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)相對(duì)較晚，但是具有很大的發(fā)展前景。為了更有效的提高空間信息采集效率和質(zhì)量，構(gòu)建一種高效的無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)就成為了首要目標(biāo)，相關(guān)研究工作人員需要給予高度重視。

2 無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)概述

無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)是一種較為先進(jìn)的空間信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成，即IMU、GPS接收機(jī)、機(jī)載相機(jī)以及激光掃描儀，通過以上設(shè)備的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理位置的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到航空攝影測(cè)量的實(shí)質(zhì)性目的。無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得航空測(cè)量事業(yè)取得了巨大的進(jìn)展。相對(duì)比傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：第一，高效快速。由于無人機(jī)的特殊性，使得該系統(tǒng)具備了高效便利的優(yōu)勢(shì)，可以快速進(jìn)行空間地理信息的有效采集和整理；第二，精度較高。該系統(tǒng)結(jié)合了先進(jìn)的信息技術(shù)，可以在無人駕駛的情況下進(jìn)行復(fù)雜區(qū)域的測(cè)量，并且測(cè)量精度較高，所以被廣泛應(yīng)用到航空測(cè)量領(lǐng)域。

3 無人機(jī)差分GPS航測(cè)遙感系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的航空測(cè)量中，由于GPS技術(shù)的缺陷，導(dǎo)致測(cè)量效果較差。而隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，它可以有效的應(yīng)用到空三中，使得航空攝影測(cè)量成為了可能，這主要是差分GPS的具體應(yīng)用，其原理是：差分GPS可以快速有效的獲取航空攝影中心的位置，同時(shí)將其作為帶權(quán)觀測(cè)值與區(qū)域網(wǎng)平差，從而達(dá)到降低地面控制點(diǎn)數(shù)量的最終目的。由此可見，差分GPS在無人機(jī)航測(cè)遙感及攝影測(cè)量中具有很好的應(yīng)用前景，相關(guān)研究工作人員應(yīng)當(dāng)給予高度關(guān)注。一種基于無人機(jī)差分GPS的航測(cè)遙感系統(tǒng)，主要由以下幾部分構(gòu)成，即無人機(jī)、差分GPS、IMU、雙拼相機(jī)、激光掃描儀以及數(shù)據(jù)處理軟件等。

3.1 無人機(jī)

本系統(tǒng)中涉及到的無人機(jī)采用的是成都縱橫無人機(jī)公司生產(chǎn)的CW-20無人機(jī)，詳細(xì)如圖1所示。

圖1 CW-20無人機(jī)

3.2 雙拼相機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)而言，相機(jī)傳感器是最為重要的一項(xiàng)設(shè)備，它對(duì)于航測(cè)攝影測(cè)量的效果起到?jīng)Q定性作用。近年來，無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)中普遍使用的相機(jī)是CCD相機(jī)，由于該類相機(jī)在價(jià)格方面較為便宜，所以廣泛應(yīng)用到無人機(jī)航空測(cè)量中。但是由于該類相機(jī)的光學(xué)性能較差、攝影范圍小，加之無法消除抖動(dòng)現(xiàn)象，使得在一些復(fù)雜的大比例尺測(cè)量工作中，出現(xiàn)測(cè)量效果較差的情況。為了消除CCD相機(jī)在航測(cè)中的缺陷，本次無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種雙拼光學(xué)相機(jī)系統(tǒng)，具體如圖2所示。相對(duì)比CCD相機(jī)，該相機(jī)系統(tǒng)可以消除航測(cè)中抖動(dòng)的現(xiàn)象，同時(shí)它還可以在測(cè)量后期對(duì)測(cè)量影像進(jìn)行拼接，從而獲得大幅面的合成圖像，這對(duì)于大比例尺航測(cè)攝影測(cè)量而言十分便利和高效。

圖2 雙拼光學(xué)相機(jī)

3.3 POS系統(tǒng)

除雙拼相機(jī)系統(tǒng)外，POS系統(tǒng)也是無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)的重要構(gòu)成設(shè)備，主要由IMU和GPS兩部分組成。由于IMU和GPS通過卡爾曼濾波獲得姿態(tài)信息和高精度坐標(biāo)，可以大程度縮減圖像的空三處理過程，降低戶外作業(yè)量，提升測(cè)量效率。目前，IMU和GPS構(gòu)成的POS體系是航測(cè)系統(tǒng)必須具備的重要設(shè)備，對(duì)于配備激光掃描儀的航拍測(cè)量設(shè)備來說尤其重要，如果沒有IMU和GPS構(gòu)成的POS系統(tǒng)，激光掃描將是一種擺設(shè)。

3.4 激光掃描儀

無人機(jī)差分GPS的航測(cè)遙感系統(tǒng)除了以上幾個(gè)重要設(shè)備外，還有激光掃描儀設(shè)備，它的作用是快速有效的捕獲目標(biāo)的空間參數(shù)，得到相關(guān)三維點(diǎn)云，為后期的數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。激光掃描儀作為近年來新興的一種高端設(shè)備，由于其具有快速、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)，所以在無人機(jī)航測(cè)遙感及攝影測(cè)量中得到了較為廣泛的應(yīng)用，并得到了業(yè)內(nèi)人士的高度認(rèn)可。

3.5 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括以下幾部分內(nèi)容，即系列圖像排序、多相機(jī)圖像拼接技術(shù)、數(shù)字圖像融合、1MU/GPS數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波、激光點(diǎn)云絕對(duì)定向與融合、多相機(jī)合成圖像的空三處理等。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)航測(cè)在航拍比例尺度、重疊度、亮度變化、仿射角等問題的嚴(yán)格限制，按照嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型可以處理目前所有面陣航攝膠片相機(jī)、組合寬角相機(jī)、數(shù)字相機(jī)的圖像[1]。

4 差分GPS在無人機(jī)航測(cè)遙感及攝影測(cè)量中的應(yīng)用研究

為了檢驗(yàn)上述無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)的整體性能，選取某大學(xué)9km2的實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，精度范圍為cm級(jí)，在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇了6條航線，拍攝24張圖像。拍攝比例約為1:6000，地面分辨率約為7.5cm，航向重疊度約為60%。由控制點(diǎn)殘差計(jì)算出的空三后的中誤差為：X方向6.6cm，Y方向4.3cm，Z方向11.8cm；最大殘差：X方向10.2cm，Y方向6.7cm，Z方向27.3cm。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高程和平面全實(shí)現(xiàn)了預(yù)先的1：2000成像精度要求。通過絕對(duì)定向后，不但能夠達(dá)到預(yù)先精度要求，而且也能夠達(dá)到高程精度。但由于本次測(cè)量范圍較小，系統(tǒng)的性能不能完全得到驗(yàn)證，還需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)本系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。

5 結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)的出現(xiàn)，給航空攝影測(cè)量工作提供了巨大的便利。論文主要介紹了一種差分GPS無人機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)，首先對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并且通過實(shí)例對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具有很好的測(cè)量效果，而且測(cè)量精度較高、作業(yè)成本低、應(yīng)用范圍廣，所以可以廣泛應(yīng)用于大比例尺航空攝影測(cè)量工作中。

[1]周道琴,莊香玉.基于無人機(jī)差分GPS航測(cè)遙感研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(19):4-5.

Application of Differential GPS in Aerial Photogrammetry, Remote Sensing and Photogrammetry of Unmanned Aerial Vehicle

UAV, the aerial photogrammetry appeared the new development opportunities. The paper describes how to establish efficient system of UAV aerial remote sensing, the efficient application to aerial photogrammetry, and provides reference to the research staff.

UAV; differential GPS; application