肖蘇勇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

近年來，無人機(jī)在航空攝影應(yīng)用方面得以普及，但是對機(jī)載測量部分的研究較少。結(jié)合無人機(jī)機(jī)載GPS/BD輔助航攝系統(tǒng)在當(dāng)陽至遠(yuǎn)安鐵路及長贛高鐵測繪的實(shí)際應(yīng)用，對利用無人機(jī)作為遙感平臺進(jìn)行鐵路測繪航空攝影的若干問題進(jìn)行探討，以期能夠?yàn)殍F路乃至公路測繪航空攝影在大比例地形圖上的應(yīng)用提供借鑒。

1 機(jī)載GPS/BD輔助航攝系統(tǒng)簡介

利用固定翼遙感平臺(無人機(jī)、輕型機(jī)、運(yùn)輸機(jī))搭載框幅量測數(shù)碼相機(jī)，無需架設(shè)地面基站，加載機(jī)載GPS/BD輔助航攝技術(shù)，進(jìn)行大比例航空攝影(見圖1)。

利用安裝在飛機(jī)上的雙頻GPS/BD接收機(jī)連續(xù)觀測記錄GPS/BD衛(wèi)星信號，同時(shí)獲取航攝儀快門打開至最大的脈沖時(shí)刻與快速星歷事后處理航攝儀曝光瞬間的空間三維坐標(biāo)，將其視為帶權(quán)觀測值引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差中，采用相同的數(shù)學(xué)模型來整體確定地面目標(biāo)點(diǎn)位和相片方位元素，并對其質(zhì)量進(jìn)行評定。

圖1 無人機(jī)機(jī)載GPS/BD輔助航空攝影系統(tǒng)

2 小型航攝系統(tǒng)

2.1 遙感平臺

機(jī)載GPS/BD輔助空三需要測定相機(jī)在空中曝光瞬間的3個(gè)線元素。因此，在飛機(jī)靜止時(shí)，GPS/BD相位中心與曝光中心存在三個(gè)偏移分量u，v，w。飛機(jī)在飛行過程中，會產(chǎn)生三個(gè)姿態(tài)角，在曝光瞬間，這三個(gè)姿態(tài)角在坐標(biāo)傳遞過程中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣R。GPS/BD相位中心與曝光中心的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 GPS/BD相位中心與曝光中心在空中的位置關(guān)系

公式(1)描述了如何將GPS/BD測定的空間位置傳遞到相機(jī)曝光中心。

(1)

2.2 傳感器

傳感器是獲得二維像平面坐標(biāo)的測量元件，其相機(jī)內(nèi)方位元素(f，x0，y0)的穩(wěn)定以及相機(jī)鏡頭畸變差的有效消除至關(guān)重要?？紤]到機(jī)載GPS/BD輔助空三的需要，相機(jī)曝光快門開啟到最大時(shí)向GPS/BD發(fā)送一個(gè)高頻脈沖(EventMark)并記錄到GPS/BD文件，之后通過該時(shí)刻內(nèi)插出每一攝站位置。EventMark時(shí)刻的準(zhǔn)確性影響到攝站坐標(biāo)的精度，必須對相機(jī)脈沖信號進(jìn)行標(biāo)定，使其處于相機(jī)快門打開與關(guān)閉的中間時(shí)刻。

一億像素級的工業(yè)相機(jī)在其物理結(jié)構(gòu)上滿足上述需要，但還需對其內(nèi)部控制進(jìn)行軟件修正。本套系統(tǒng)采用的工業(yè)相機(jī)由AIC-Lover軟件進(jìn)行修正，可滿足航攝儀的要求。

2.3 飛行姿態(tài)

測繪航空攝影是近似垂直航空攝影(見圖3)，由于攝影傾角仰俯(航向φ角)和測滾(旁向ω)分量的存在，在一定程度上造成立體模型的高程面扭曲(見圖4)。為了使從像方到物方的坐標(biāo)變換滿足測量規(guī)范限差的要求，一般要求攝影傾角α小于3°。

圖3 攝影傾角

圖4 航攝傾角對立體模型高程面的扭曲

為了有效限制攝影傾角對立體模型造成的高程扭曲，必須采用三軸姿態(tài)校正裝置對無人機(jī)航空攝影進(jìn)行校正(見圖5)。

圖5 小型三軸穩(wěn)定座架

2.4 機(jī)載GPS/BD輔助空三

采用載波相位差分動態(tài)GPS/BD定位技術(shù)可以達(dá)到厘米級精度并確定GPS/BD天線相位中心的坐標(biāo)，但坐標(biāo)值包含有隨時(shí)間變化的線性飄移系統(tǒng)誤差；為獲得國家統(tǒng)一坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)系中的加密成果，需要有一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)(GCP)。最好在區(qū)域的四角布設(shè)4個(gè)平高點(diǎn)；如果需要逐條航線改正GPS/BD攝站坐標(biāo)的系統(tǒng)漂移誤差，則區(qū)域的兩端還應(yīng)布設(shè)兩排高程控制點(diǎn)或加攝兩條帶有GPS/BD攝站坐標(biāo)的垂直構(gòu)架航線(見圖6)。

圖6 像控布設(shè)示意

Imagnation將時(shí)間作為測量變量，進(jìn)行整體平差，將攝影測量拓展到四維空間，配合構(gòu)架航線，可有效地改正GPS/BD存在的系統(tǒng)誤差累積，大幅度提高航測高程精度。

3 應(yīng)用案例

3.1 案例一

當(dāng)陽至遠(yuǎn)安鐵路是一條山區(qū)鐵路，貫通方案長63.3 km，線路曲線半徑小，高差起伏大，植被茂密。若采用傳統(tǒng)固定翼有人駕駛飛行平臺搭載航攝儀的航空攝影方式，在保證地面分辨率的前提下，飛行的安全高度無法保證，且測區(qū)中植被茂密，可選的像控點(diǎn)有限。鑒于以上情況，選用無人機(jī)機(jī)載GPS/BD輔助航攝系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影并布設(shè)構(gòu)架航線，共飛行測段9個(gè)，航線21條，共計(jì)240 km(由于其像幅較小，大部分采用雙航線或多航線)。利用自主研發(fā)的Imagnation機(jī)載GPS/BD輔助空三系統(tǒng)，共布設(shè)28個(gè)地面外控點(diǎn)，18個(gè)加密檢查點(diǎn)。其中，第8測段布點(diǎn)時(shí)未按該空三系統(tǒng)要求的布點(diǎn)方式進(jìn)行，故采用其它空三軟件進(jìn)行處理?？杖用艹晒绫?。

表1 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)加密精度統(tǒng)計(jì) m

為檢查該項(xiàng)技術(shù)的可靠性，在測區(qū)中用RTK方式實(shí)地測量150個(gè)散點(diǎn)(包含地物點(diǎn)和高程點(diǎn))，對所生產(chǎn)的地形圖進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)(見表2)。

表2 地形圖檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2 案例二

長贛鐵路某段收集的影像資料無法滿足成圖要求。選用無人機(jī)機(jī)載GPS/BD輔助航攝系統(tǒng)進(jìn)行航空攝影，線路方案長119.5 km，采用構(gòu)架航線，共設(shè)計(jì)飛行測段10個(gè)，航線28條，計(jì)280 km(采用雙航線的方式)。利用自主研發(fā)的Imagnation機(jī)載GPS/BD輔助空三系統(tǒng)，地面共布設(shè)33個(gè)外控點(diǎn)，22個(gè)檢查點(diǎn)?？杖用艹晒绫?。

表3 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)加密精度統(tǒng)計(jì) m

在測區(qū)中用RTK方式實(shí)地測量200個(gè)散點(diǎn)(包含地物點(diǎn)和高程點(diǎn))，對所生產(chǎn)的地形圖進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)(見表4)。

表4 地形圖檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

若采用傳統(tǒng)固定翼有人駕駛飛行平臺搭載數(shù)碼航攝儀的航空攝影方式，在保證地面分辨率的前提下，雖然航線數(shù)可相應(yīng)減少，但外控點(diǎn)測量的工作量會大大增加。按《鐵路工程攝影測量規(guī)范》數(shù)字?jǐn)z影外控點(diǎn)的布設(shè)要求，當(dāng)陽至遠(yuǎn)安鐵路正線加比較線共113.3 km，外控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)為70個(gè)左右；長贛鐵路某段正線加比較線共119.5 km，外控點(diǎn)布設(shè)應(yīng)為76個(gè)左右。而采用無人機(jī)遙感平臺技術(shù)，外控點(diǎn)的布設(shè)大為減少：當(dāng)陽至遠(yuǎn)安鐵路僅布設(shè)了28個(gè)外控點(diǎn)；長贛鐵路僅布設(shè)了33個(gè)外控點(diǎn)，生產(chǎn)效率大幅提高。從飛行情況看，在保證地面分辨率優(yōu)于0.2 m的前提下，傳統(tǒng)數(shù)碼航空攝影(數(shù)碼航攝儀焦距90 mm)飛行相對航高應(yīng)為3 600 m左右，而且需要有一定跑道長度的機(jī)場進(jìn)行起降；航空攝影時(shí)又存在空域管制、手續(xù)復(fù)雜、對機(jī)場和天氣條件依賴性較大、成本較高、航攝周期長等問題；而無人機(jī)遙感平臺技術(shù)的航空攝影飛行相對航高僅為1 500 m，只需一空曠場地即可彈射起飛，機(jī)動靈活，操作性強(qiáng)，對天氣的要求相對較低，航攝周期較短。

4 結(jié)論

采用無人機(jī)機(jī)載GPS輔助航空攝影，可大幅縮短攝影周期；航測外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)大幅減少，空三加密成果及地形圖散點(diǎn)檢查精度均滿足《鐵路工程攝影測量規(guī)范》平面及高程要求，降低了測量成本，經(jīng)濟(jì)效率得到極大提高，為全面推廣該項(xiàng)技術(shù)提供了真實(shí)可靠的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

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