方 偉 湯江龍 陳大凱

（東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院 江西南昌 330013）

1 引言

在過(guò)去的幾年里，全球無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，相較于傳統(tǒng)航攝與衛(wèi)星遙感，測(cè)繪無(wú)人機(jī)擁有快捷高效、操作簡(jiǎn)易、精確度高等優(yōu)勢(shì)，能夠在不同地面和復(fù)雜氣象條件下進(jìn)行航測(cè)，無(wú)人機(jī)可在云下飛行，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感受云層遮擋無(wú)法獲取影像的缺陷，可在多云的天氣條件下開(kāi)展工作[1]，能廣泛的應(yīng)用于智慧城市建設(shè)、災(zāi)害緊急治理、國(guó)土監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航測(cè)不足之處:①采用非量測(cè)相機(jī)作為傳感器，鏡頭畸變差大，多達(dá)幾十甚至上百個(gè)像素的畸變差；②飛行航線維持不穩(wěn)定，所拍攝的航攝影像相對(duì)于常規(guī)航空攝影像片旋偏角大、航線彎曲度大、影像重疊度不規(guī)則等[2]。

按照傳統(tǒng)的航攝加密要求，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)會(huì)因?yàn)闊o(wú)人機(jī)航攝本身的問(wèn)題導(dǎo)致野外像控點(diǎn)數(shù)量大幅增加。理論上，采用GPS輔助空中三角測(cè)量解算的方法，可以減少外業(yè)測(cè)量的工作量和提升工作成效，并且在常規(guī)航空攝影測(cè)量中已被廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于小型低空航攝平臺(tái)和非量測(cè)小相幅相機(jī)的組合，GPS輔助空三的精度情況及技術(shù)規(guī)范目前還不完善。本文目的在于探究無(wú)人機(jī)和小相幅單反相機(jī)作為航攝儀條件下，使用安設(shè)的動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)獲取的攝站坐標(biāo)來(lái)替代地面控制點(diǎn)進(jìn)行攝影測(cè)量加密的方法，以實(shí)現(xiàn)少量地面控制點(diǎn)的低空攝影測(cè)量大比例尺地形測(cè)圖。

2 Godwork介紹及GPS輔助空三加密概述

2.1 GodWork介紹

GodWork是一個(gè)針對(duì)無(wú)人飛機(jī)像幅小、姿態(tài)不穩(wěn)定、重疊度大、非專業(yè)相機(jī)等特征的航測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)。

2.2 GPS輔助空三加密概述

GPS輔助空中三角測(cè)量是利用安裝于飛機(jī)上與航攝儀相連接的和設(shè)在地面上一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站上的至少兩臺(tái)信號(hào)接收機(jī)同步而連續(xù)地觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)、同時(shí)獲取航空攝影瞬間航攝儀快門(mén)開(kāi)啟脈沖，通過(guò)載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo)，然后將其視為附加值引入攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差中，經(jīng)采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法以整體確定物方點(diǎn)位和像片方位元素并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的理論、技術(shù)和方法[3]。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)區(qū)相對(duì)高差達(dá)50米左右，地勢(shì)比較平緩，屬于平原地帶。本次實(shí)驗(yàn)共有506張影像圖，面積為3平方公里，航向重疊80%左右，旁向重疊55%左右，地面分辨率0.05m，共11條航帶。航拍的時(shí)間總共為65min，在航拍的途中沒(méi)有出現(xiàn)GPS信號(hào)中斷的現(xiàn)象，此次航拍中雙相機(jī)同步曝光的精度在3ms以內(nèi)。航攝技術(shù)參數(shù)如表1。試驗(yàn)區(qū)選取明顯特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)和檢驗(yàn)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)航線圖如圖1。為了使航拍圖片控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度得到保證，其坐標(biāo)采用GPS實(shí)時(shí)差分技術(shù)獲取。

表1 航攝技術(shù)參數(shù)表

圖1 無(wú)人機(jī)航線圖

4 GodWork解算GPS輔助空三數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采集航攝影像

本文主要探究的是在無(wú)人機(jī)安置小相幅單反相機(jī)作為航拍儀條件下，GPS輔助空三的精度與控制點(diǎn)分布和個(gè)數(shù)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)實(shí)施主要內(nèi)容包括：①無(wú)人機(jī)航飛，采集航攝影像；②控制點(diǎn)測(cè)量；③GPS差分后處理；④GPS輔助空中三角測(cè)量。在航攝中關(guān)鍵技術(shù)為航攝平臺(tái)傳感器集成和同步、多模GPS差分后處理以及GPS輔助空中三角測(cè)量。實(shí)驗(yàn)使用兼容GPS/GLONASS/北斗的多模GPS接收機(jī)，觀測(cè)到衛(wèi)星個(gè)數(shù)很大程度上增加，正常情況下可以達(dá)到20顆，即使在飛行器大幅傾斜是也有七八顆衛(wèi)星，保證了連續(xù)高精度定位，GPS/GLONASS/北斗的組合定位技術(shù)則是其中的關(guān)鍵。在我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)完成后，也可直接將多模系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為北斗系統(tǒng)，有利于數(shù)據(jù)安全和提升我國(guó)北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.2 GPS差分后處理

使用際上空間Caravel PP軟件處理差分GPS數(shù)據(jù)包括以下四個(gè)步驟：①新建工程；②添加GPS基站和GPS流動(dòng)站數(shù)據(jù)，并輸入準(zhǔn)確基站坐標(biāo)、天線高；③使用Caravel PP軟件的默認(rèn)配置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)差分定位；④輸出相機(jī)曝光時(shí)刻的經(jīng)緯度和橢球高，使用際上空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)，并利用大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)進(jìn)行精化，將GPS橢球高經(jīng)大地水準(zhǔn)面擬合至1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

4.3 GPS輔助空中三角測(cè)量

使用GodWrok天工無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量軟件，首先按照傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)處理方案采用全控制的作業(yè)方法獲得空三加密精度，其次采用GPS輔助少量控制點(diǎn)控制并逐步增加控制點(diǎn)的方法進(jìn)行測(cè)試。

5 成果分析

5.1 GPS差分后處理結(jié)果分析

無(wú)人機(jī)航跡如圖1所示，航跡均呈現(xiàn)綠色，表明差分載波相位解算過(guò)程中，整周模糊度保持不變，定位精度小于5cm。點(diǎn)擊菜單->顯示->繪圖，分別繪制東向標(biāo)準(zhǔn)差、北向標(biāo)準(zhǔn)差和橢球高標(biāo)準(zhǔn)差，分別如圖2所示，其中東向和北向標(biāo)準(zhǔn)差在無(wú)人機(jī)開(kāi)始飛行后迅速收斂，在航帶內(nèi)均小于2cm，橢球高標(biāo)準(zhǔn)差收斂后小于3.5cm。

圖2 差分GPS東向、北向和高程定位標(biāo)準(zhǔn)差

5.2 GPS輔助空中三角測(cè)量處理結(jié)果分析

為了驗(yàn)證GodWork解算GPS輔助空三的精度以及實(shí)用性，本測(cè)區(qū)共506張影像，共布設(shè)控制點(diǎn)86個(gè)。分別按照常規(guī)全控制點(diǎn)空三、部分控制點(diǎn)空三、部分控制點(diǎn)+差分GPS空三的原則進(jìn)行分析計(jì)算，并逐步增加部分控制點(diǎn)的數(shù)目。將加密完的空三成果導(dǎo)入MapMatrix4.1中，運(yùn)用點(diǎn)精度檢查工具對(duì)每個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的殘差值，最后計(jì)算平面和高程中誤差，比較結(jié)果如表2。

表2 GPS輔助空中三角測(cè)量結(jié)果

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以分析得出在相同控制點(diǎn)數(shù)目時(shí)有差分GPS輔助的測(cè)量結(jié)果比沒(méi)有差分GPS輔助的測(cè)量結(jié)果誤差更小，精度更高；在差分GPS輔助的情形下控制點(diǎn)數(shù)目越多測(cè)量結(jié)果誤差越小，精度越高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究可以得到在GPS輔助平差條件下，高程精度會(huì)有明顯提高；在有GPS輔助平差條件下，可以減少外業(yè)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。所以應(yīng)用小像幅無(wú)人機(jī)影像，使用GPS輔助的空中三角測(cè)量技術(shù)，可以縮減至少70%的外業(yè)控制點(diǎn)。

在與實(shí)驗(yàn)區(qū)相似的平原地區(qū)使用GPS輔助空中三角測(cè)量技術(shù)可以很大程度上減少地面控制點(diǎn)數(shù)量，其測(cè)圖成果符合低空攝影測(cè)量大比例尺地形測(cè)圖規(guī)范要求，也為小范圍的測(cè)繪應(yīng)急保障提供了便利。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱京海，徐光，劉家斌.無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2011，31(09):45-48.

[2]任志明，李永樹(shù)，何敬，等.基于姿態(tài)數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)影像自動(dòng)刺點(diǎn)功能研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2011(4):44-46.

[3]趙俊羽，貴仁義，米鴻燕.GPS輔助空中三角測(cè)量在大比例尺航空攝影測(cè)量中的實(shí)驗(yàn)研究[J].2010(2):25-26.