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        天狼星無(wú)人機(jī)大比例尺測(cè)圖精度分析

        2018-04-08 01:46:00孟慶鵬
        測(cè)繪通報(bào) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:測(cè)繪測(cè)量

        孟慶鵬,孫 斌,凌 清

        (中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200030)

        攝影測(cè)量在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史中經(jīng)歷了3個(gè)階段,分別為模擬攝影測(cè)量階段、解析攝影測(cè)量階段和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段[1],如今已經(jīng)全面步入數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代。在國(guó)家開放低空空域、深化低空空域管理改革的背景下[2],小型化的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量開始逐步被測(cè)繪、林業(yè)、礦業(yè)、交通、水利、電力等行業(yè)所接納,并應(yīng)用于大比例尺測(cè)圖、地籍測(cè)量、智慧城市建設(shè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急保障快速測(cè)繪、國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪等項(xiàng)目。然而,大比例尺數(shù)字測(cè)圖要求點(diǎn)位精度高,野外數(shù)據(jù)采集的方法必須準(zhǔn)確可靠[3]。拓普康天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)作為一種新型的航測(cè)技術(shù),彌補(bǔ)了中低空普通航空大比例尺測(cè)圖出現(xiàn)的不足,成為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取的一種新手段。因此,努力提高量測(cè)精度和作業(yè)水平,是保證航測(cè)大比例尺成圖精度的重要措施[4]。本文通過(guò)天狼星無(wú)人機(jī)進(jìn)行小范圍實(shí)際測(cè)圖,并以1∶500大比例尺測(cè)圖標(biāo)準(zhǔn)為參考對(duì)其測(cè)圖精度驗(yàn)證分析。

        1 天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)

        天狼星(Sirius PRO)無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)是美國(guó)拓普康定位系統(tǒng)公司研制的高精度無(wú)人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng),通過(guò)高精度的定位定向系統(tǒng)(position and orientation system,POS)記錄高精度姿態(tài)參數(shù)[5],可大大節(jié)省整個(gè)航空攝影加密測(cè)圖流暢的工作時(shí)間[6],能顯著提高作業(yè)速度[7]。它配備有從飛行計(jì)劃、影像獲取、后處理到數(shù)據(jù)分析的全套軟件,屬于微型電動(dòng)固定翼RTK航空測(cè)圖系統(tǒng)。

        1.1 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

        拓普康天狼星無(wú)人機(jī)采用了富士XM1相機(jī)、APS-C-X-Trans CMOS傳感器,滿足不同的高精度三維城市建模、高清影像航測(cè)應(yīng)用需求;手拋式起飛,在執(zhí)行航測(cè)飛行任務(wù)和返回著陸過(guò)程中始終保持自動(dòng)駕駛的穩(wěn)定飛行姿態(tài),抵御不良天氣,保證成像穩(wěn)定并自動(dòng)化操作。

        拓普康天狼星將100 Hz RTK模塊集成到無(wú)人機(jī)內(nèi),在無(wú)人機(jī)航測(cè)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)地面像控的測(cè)量方式,利用實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)固定解具有厘米級(jí)精度的RTK技術(shù)和無(wú)人機(jī)相結(jié)合,實(shí)時(shí)獲取曝光點(diǎn)空間位置達(dá)到無(wú)像控,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)地面控制的高精度、實(shí)時(shí)攝影測(cè)量與遙感[8],以更便利快捷的方式采集野外數(shù)據(jù),降低了外業(yè)測(cè)量工作強(qiáng)度,改善了工作效率,節(jié)約了生產(chǎn)成本。在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量時(shí)代,少用地面控制點(diǎn)或無(wú)地面像控不但可以減輕野外測(cè)量強(qiáng)度,縮短作業(yè)周期,而且可以提高航空攝影測(cè)量作業(yè)的自動(dòng)化強(qiáng)度[9]。

        1.2 數(shù)據(jù)通信

        天狼星的通信模式與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)不同,它的遙控器和連接器采用的是一種獨(dú)立雙通信的鏈路,若其中一條鏈路出現(xiàn)故障,另外一條鏈路也可以提供完整的控制,這種通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)了雙備份的功能,為安全飛行提供了最有力的保障。

        1.3 配套軟件

        天狼星標(biāo)準(zhǔn)配套軟件主要包括飛行計(jì)劃軟件MAVinci Desktop和影像后處理軟件PhotoScan Pro。利用這兩種主配套軟件,用戶通過(guò)一鍵式后處理接口,取得數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和點(diǎn)云3種不同類型的生產(chǎn)結(jié)果。不僅如此,用戶還可選擇多種數(shù)據(jù)加工和編輯平臺(tái)滿足不同的需求,實(shí)現(xiàn)等高線生成、體積量計(jì)算、DLG編輯、虛擬測(cè)量等不同功能。

        2 拓普康天狼星無(wú)人機(jī)1∶500地形圖施測(cè)

        2.1 項(xiàng)目測(cè)區(qū)概況

        測(cè)區(qū)位于上海市崇明區(qū)某農(nóng)田附近。測(cè)量面積為0.058 km2,測(cè)區(qū)大部分為水田,中間交叉鄉(xiāng)村水泥小路,交通條件便捷,地勢(shì)起伏平緩,植被主要為水稻、草地和蘆葦,通視條件較好。

        2.2 作業(yè)航飛

        根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)狀及天狼星無(wú)人機(jī)成圖比例尺1∶500 測(cè)圖精度驗(yàn)證分析需求,選擇目標(biāo)區(qū)域和期望的地面采樣距離后,飛行計(jì)劃軟件Desktop自動(dòng)創(chuàng)建獨(dú)立的飛行計(jì)劃,飛行相對(duì)航高127 m,地面分辨率3 cm,航向重疊率80%,旁向重疊度70%,設(shè)計(jì)航線手拋式起飛進(jìn)行航測(cè)數(shù)據(jù)采集。

        在航飛之前,為檢驗(yàn)航測(cè)精度,在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)噴繪擺設(shè)10處50 cm×50 cm的十字檢測(cè)靶標(biāo),均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi),用每個(gè)檢測(cè)靶標(biāo)中心點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)。使用測(cè)區(qū)附近D級(jí)GPS控制網(wǎng)的控制點(diǎn)作為控制基礎(chǔ),坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系,3°帶投影,中央經(jīng)線121.466 667°E,利用RTK技術(shù),在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。為保證檢測(cè)點(diǎn)自身精度,每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行3次采集,取其平均值作為最終成果[10]。

        2.3 數(shù)據(jù)處理

        攝影測(cè)量大數(shù)據(jù)的處理是現(xiàn)階段攝影測(cè)量迫切需要解決的問(wèn)題[11],天狼星無(wú)人機(jī)對(duì)此作了很大的改善。本次項(xiàng)目航飛完成后,通過(guò)MAVinci Desktop進(jìn)行高精度POS數(shù)據(jù)下載和航飛影像的自動(dòng)匹配;然后導(dǎo)入PhotoScan Pro數(shù)據(jù)處理軟件,它是由俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件,根據(jù)多視圖三維重建技術(shù),可以對(duì)任意照片進(jìn)行處理[12],無(wú)需控制點(diǎn),無(wú)需人工干預(yù)[13],實(shí)現(xiàn)航測(cè)成果中DOM和DEM產(chǎn)品的自動(dòng)生成;生產(chǎn)結(jié)果疊加后導(dǎo)入清華三維EPS 3DSurvey中進(jìn)行“裸眼畫3D”的新型工作模式立體測(cè)圖。本文項(xiàng)目測(cè)區(qū)航飛時(shí)間為9 min,航攝167張影像,軟件處理匹配時(shí)間1 h 7 min,校準(zhǔn)優(yōu)化時(shí)間5 min 46 s,密集點(diǎn)數(shù)量16 012 906個(gè),深度過(guò)濾處理時(shí)間12 min 45 s,重建測(cè)區(qū)DEM,如圖1所示。

        圖1 重建DEM

        3 精度檢核分析

        從本次項(xiàng)目Agisoft PhotoScan+MAVinci插件的處理報(bào)告中獲悉航攝日志相關(guān)參數(shù),可以反映相機(jī)位置精度。在后處理得到正射影像和DSM后,從正射影像上量測(cè)了均勻分布的10個(gè)標(biāo)志檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo),并在DSM上量測(cè)了對(duì)應(yīng)的高程,對(duì)天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)平面精度和高程精度進(jìn)行了檢驗(yàn)。

        3.1 相機(jī)位置和誤差估計(jì)分析

        天狼星無(wú)人機(jī)的POS系統(tǒng)作為航空攝影測(cè)量系統(tǒng)的基準(zhǔn)傳感器,集慣性導(dǎo)航技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)于一體,可實(shí)時(shí)獲取載體位置姿態(tài)。POS系統(tǒng)輔助航空攝影測(cè)量,獲得高精度定位定向信息[14],其優(yōu)越性能獲得了測(cè)繪領(lǐng)域高度認(rèn)同。本文通過(guò)對(duì)相機(jī)位置的誤差估計(jì)以反映其精度。如圖2所示,可以直觀形象地反映誤差的大小及分布情況,Z誤差由橢圓的顏色表示,X、Y的誤差由橢圓的形狀表示,估計(jì)的相機(jī)位置用一個(gè)黑點(diǎn)標(biāo)記。

        圖2 相機(jī)位置和誤差估計(jì)解析

        表1反映的是圖2整體的平均誤差統(tǒng)計(jì),線元素X、Y的平均位置誤差在2 cm內(nèi),Z的平均位置誤差小于3 mm,可以滿足1∶500大比例尺測(cè)圖的精度要求。

        表1 相機(jī)位置平均誤差 m

        3.2 平面精度

        3.2 高程精度

        表2 平面數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果 m

        表3 高程數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果 m

        注:H1指靶標(biāo)中心點(diǎn)RTK技術(shù)實(shí)測(cè)高程;H2指DEM檢測(cè)點(diǎn)獲取對(duì)應(yīng)靶標(biāo)中心點(diǎn)高程。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        天狼星無(wú)人機(jī)作業(yè)成本低,自動(dòng)化程度高,在采集像片的同時(shí)同步完成控制點(diǎn)的布設(shè),取代了傳統(tǒng)的地面控制點(diǎn),一次飛行采集的控制點(diǎn)平面和高程精度都是RTK厘米級(jí)精度,借助RTK技術(shù)可以獲取高精度航空制圖成果,顯著減輕了野外作業(yè)強(qiáng)度,為航測(cè)工作提供了更多便利。本文通過(guò)對(duì)天狼星無(wú)人機(jī)實(shí)際測(cè)圖數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析發(fā)現(xiàn),其滿足1∶500大比例尺測(cè)圖要求,進(jìn)一步證明了天狼星無(wú)人機(jī)的實(shí)用性和可靠性,值得推廣和應(yīng)用。

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