袁旭 張增印 劉大海

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引言

隨著無人機技術(shù)飛速發(fā)展，輕小型無人機在遠程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯突破，在各行各業(yè)得到了長足發(fā)展，在測繪行業(yè)成為新興的遙感手段。

輕小型無人機與有人機相比，具有機動靈活、高效快捷、精細準確、安全可靠、省錢節(jié)約等優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：具有極高的機動性，在速度、范圍等方面，是有人飛行器無法比擬的；具有極強的環(huán)境適應(yīng)性，無需專用起降場，對氣象條件要求低，優(yōu)越的低空性能讓云下作業(yè)變得輕而易舉，大大提高了工作效率；具有極好的經(jīng)濟性，價格低廉，不需載人升空。精度一直是測繪產(chǎn)品的關(guān)鍵，本文對無人機航拍測圖精度展開分析，對實際作業(yè)中的控制方法進行了論述。

圖1 無人機遙感系統(tǒng)組成

2 輕小型無人機遙感系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)組成

受載重影響，無人機難以有效搭載常規(guī)航攝儀完成航空攝影，因此，無人機低空遙感系統(tǒng)以無人機飛行平臺和機載數(shù)碼相機、數(shù)碼攝錄機等數(shù)字遙感設(shè)備進行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析處理影像，以實現(xiàn)對地面信息的實時調(diào)查與監(jiān)測。一個完整的無人機遙感系統(tǒng)包括空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊、地面監(jiān)控模塊。其中，空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊主要包括無人機飛行系統(tǒng)、遙感器系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其主要功能是控制無人機遙感系統(tǒng)按照既定航線平穩(wěn)飛行，并將飛行狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)孛妫坏孛姹O(jiān)控模塊是發(fā)送飛行狀態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)獲取命令，接收數(shù)據(jù)并實時監(jiān)控，主要包括數(shù)據(jù)的接收與狀態(tài)監(jiān)控、地面控制命令模塊[1]。無人機遙感系統(tǒng)的組成如圖1所示。

現(xiàn)有的無人機遙感平臺主要包括無人固定翼飛機平臺、無人直升機平臺、無人飛艇平臺等。本文采用的是丹麥SKY-WATCH公司生產(chǎn)的“積云一號”航拍專用無人機。該無人機外形尺寸為：165cm×110cm×35cm；驅(qū)動方式為：鋰電池，16.8V 8600mAh；載體模式：固定翼 ；飛行時間：帶PPK模塊情況下，可以飛行90分鐘 ；測量精度范圍：5cm精度下，單架次可飛行5平方公里，時速可達50 km/h，飛行高度最高可達 2000m，可抗6級風力，起飛重量為2kg。采用手拋起飛，自主減速降落。

2.2 傳感器特性

此次作業(yè)采用的遙感傳感器是日本SONY公司生產(chǎn)的DSC-RX100M3專業(yè)相機。該相機是高質(zhì)量可見光與近紅外相機，具有操作穩(wěn)定、堅固耐用、高精度和大容量性能等特點，可適用于惡劣環(huán)境。多光譜相機的主要技術(shù)指標為：2010萬像素1英寸ExmorR背照式CMOS傳感器（5472×3648像素）；BIONZ X影像處理器；卡爾蔡司超廣角鏡頭；全新的等效24-70mm f/1.8-2.8鏡頭；內(nèi)置EVF取景器；可提供64GB的機上存儲設(shè)備。

3 輕小型無人機航空攝影

3.1 外業(yè)航拍

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，輕小型無人機的飛行品質(zhì)已經(jīng)有了較大提升。但與傳統(tǒng)航空攝影獲取的影像相比，輕小型無人機在影像重疊度、影像旋偏角、航線彎曲度等方面還有一定差距。

（1）與傳統(tǒng)航攝相比，輕小型無人機航攝面積小，在航線設(shè)計時可不考慮地球曲率變化，一般情況下計算基準面高程可簡化為在攝區(qū)最大、最小高程值平均值的基礎(chǔ)上適當修改，在無攝區(qū)DEM或地形圖條件下仍能快速設(shè)計航線。

（2）傳統(tǒng)航空攝影在航向和旁向重疊度上有嚴格的技術(shù)要求，而輕小型無人機主要保證有效航向和旁向重疊，即在保證滿足攝區(qū)內(nèi)最低點分辨率和最高點重疊度符合數(shù)據(jù)處理要求的前提下，盡量規(guī)范重疊度指標。因此，在像片重疊度的技術(shù)指標上有所放寬，航向重疊度一般為60%～80%，最小不小于53%，旁向重疊度一般為15%～60%，最小不小于8%。

（3）在航攝過程中，部分無人機使用了旋偏改正裝置，但限于飛行平臺變化頻度高、頻率快，難以全程快速實現(xiàn)旋偏改正，故實際作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)旋偏角大于15°的情況，航攝規(guī)范改變了數(shù)字航空攝影旋偏角的檢查方法，將旋偏角檢查改為旋角和傾角的分別檢查[2]。

（4）輕小型無人機實現(xiàn)了GPS輔助航空攝影，飛行平臺硬件上集成雙頻GPS，在飛行時精確記錄曝光時刻的位置信息，通過事后差分解算，得出每個曝光時刻攝影中心X、Y、Z 方向的坐標，航攝流程上通過飛行構(gòu)架航線，減少攝影測量成圖所需的外業(yè)像控點。

3.2 像控測量

輕小型無人機像控測量與傳統(tǒng)航空攝影像控測量最大的不同之處在于，像控點的布設(shè)方案存在差異。2010年，國家測繪地理信息局頒布的《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》，明確了像片控制點航向基線數(shù)跨度和旁向相鄰平面控制點的航線跨度。

GPS輔助航空攝影空三加密解算時，4個控制點精度趨于穩(wěn)定，完全滿足1∶5000比例尺地形圖丘陵地精度等級；加飛構(gòu)架航線的GPS輔助航空攝影只需2個以上控制點，基本能滿足 1∶2000比例尺地形圖丘陵地精度等級。在平原地區(qū)，均勻增加布設(shè)像控點能提高航測精度。

4 項目區(qū)實驗

實驗于2017年在偃師市城南伊洛河項目進行。項目區(qū)多為平原地帶，地理坐標為34.39°N、112.42°E。項目區(qū)面積約為2000m×1500m。按照1∶1000比例尺地形圖精度要求施測。

4.1 航線規(guī)劃

用南方公司的銀河6型GPS采集測區(qū)范圍點坐標，得到項目區(qū)頂點的經(jīng)緯度坐標，采用積云一號小型無人機作業(yè)，飛行設(shè)定高度約為260m，航向重疊度和旁向重疊度均為70%，進行垂直拍攝，地面分辨率為6cm。

以無人機作業(yè)前的起始點為原點、東西方向為X軸、南北方向為Y軸，建立直角坐標系，將頂點的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化成米制，作業(yè)區(qū)域面積S為4平方公里。首先指定航向角α分別為0、45°、90°、135°，通過算法模擬分別獲得相應(yīng)的規(guī)劃航線。根據(jù)公式（1）可得4種作業(yè)情況下的多余覆蓋率，其中，ε為無人機作業(yè)多余覆蓋率，S為作業(yè)區(qū)域面積[3]。

4種作業(yè)情況下，α ＝0時對應(yīng)的飛行總距離、覆蓋面積和多余覆蓋率均較小，即能量消耗較小。航向角α從0到180°，以每次遞增5°的方式，繼續(xù)航線規(guī)劃仿真，以得到飛行總距離和多余覆蓋率最低時所對應(yīng)的作業(yè)航向角。模擬結(jié)果表明，當作業(yè)航向角α ＝100°（根據(jù)測區(qū)形狀的變化而變化），并獲取相應(yīng)的作業(yè)規(guī)劃航線時，理論總飛行距離和覆蓋面積達到了能耗的最優(yōu)化，因此，以最優(yōu)方案規(guī)劃本次航線。航線規(guī)劃圖如圖2所示。

圖2 航線規(guī)劃圖

4.2 像控點測量

本次采用的積云一號無人機加載了GPS-PPK模塊，即動態(tài)后處理技術(shù)，是利用載波相位進行事后差分的GPS定位技術(shù)，其工作原理為：利用同步觀測的1臺基準站接收機和至少1臺流動站接收機對衛(wèi)星的載波相位觀測量，然后利用GPS處理軟件進行線性組合，形成虛擬的載波觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置，然后進行坐標轉(zhuǎn)換得到流動站的三維坐標。

為了提高航拍模型精度，本次在測區(qū)內(nèi)按照1000米間距網(wǎng)格布設(shè)像控點，共布設(shè)6個像控點、3個平高點，并用GPS實測了4個檢查點及30個地形點三維坐標，為復(fù)核三維成果模型精度做準備。

4.3 航拍模型精度分析

4.3.1 無人機航攝誤差

固定翼無人機航空測量系統(tǒng)，在進行地形測量時存在測量誤差。這些誤差主要為儀器誤差、人為誤差，以及氣候等外界因素影響產(chǎn)生的誤差。

（1）儀器誤差：是指儀器設(shè)計、制作不完善或經(jīng)校驗還存在殘余誤差。這部分誤差主要是傳感器量化過程帶來的系統(tǒng)誤差。

航測內(nèi)業(yè)測量高程中誤差會隨著像片傾角的增大而增大；當像片傾角小于3°時，高程精度能夠充分滿足規(guī)范要求的精度。

因受到無人機載重及體積影響，難以有效搭載常規(guī)航攝儀完成航空攝影；而感光單元中出現(xiàn)非正方形因子與非正交性畸變差，會造成測量高程精度難以滿足需求。

（2）人為誤差：是指由于人的感官鑒別能力、技術(shù)水平和工作態(tài)度，以及像控識別、空三加密、立體采集而產(chǎn)生的人為誤差。

（3）外界因素影響產(chǎn)生的誤差：天氣狀況對飛行器姿態(tài)和成像質(zhì)量的影響而產(chǎn)生的誤差。

以像素為單位，標稱分辨率為0.06m，一個像素相當于地面6cm×6cm的范圍。由于儀器誤差引起的畸變差、天氣外界因素影響等，實際分辨率已接近0.08m，也就是說，在進行航測作業(yè)前，航片的精度大約為8cm。

4.3.2 改進方法

（1）改進無人機性能

要提升無人機系統(tǒng)自身性能，加強對外界干擾因素的抵抗力，減小像片傾角，有效提升飛行階段的飛行安全性與穩(wěn)定性，定期對無人機系統(tǒng)和航攝系統(tǒng)進行檢修與維護，以減少儀器誤差。此外，在安裝航攝系統(tǒng)時，必須嚴格依據(jù)有關(guān)技術(shù)指導完成，讓相機CCD陣面短邊和航行方向垂直，在一定程度上有效提升高程精度。

（2）高程二次定向方法

實踐過程中，運用空三得到外方位元素，有效恢復(fù)立體模型。在進行像片傾角相對較大的立體模型絕對定向時，雖然絕對定向誤差殘差比較小，但全野外測量高程點難以精確恢復(fù)至被量測地物表面。經(jīng)過分析與研究，這主要是因為像片傾角超限，運用PATB光束法平差反算后，此類型像片外方位元素中三個角元素不準確引起的。

針對像片傾角的超限立體像，可以運用空中三角測量實現(xiàn)加密平差，反算出野外高程控制點的相應(yīng)平面坐標；在數(shù)字攝影測量工作中恢復(fù)立體模型；要刪除加密時的模型連接點，保留野外所有像片控制點的測量；立體狀態(tài)下，需要重新觀測野外的所有控制點高程；重新進行絕對定向，計算出傾角超限像片中的6個外方位元素；立體采集核線。上述方法被稱為高程二次定向，也就是重新創(chuàng)建立體模型，完成信息數(shù)據(jù)的采集，同時把此超限立體模型的相應(yīng)高程誤差有效控制在1/3等高距之內(nèi)，從而有效提升高程測量精度[4]。

（3）加強人員培訓

日常工作中，要加強培訓，提高航測內(nèi)外業(yè)人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平及質(zhì)量責任心。外業(yè)作業(yè)時，盡量選擇晴朗無風的天氣，保證無人機飛行的姿態(tài)穩(wěn)定。

4.3.3 航測模型精度分析

像控點刺點精度統(tǒng)計如表1所示。實測點與航拍模型點數(shù)據(jù)誤差檢測表如表2所示，中誤差計算：n=10個，[VV]=0.398m，M=±√[VV]/n=0.06m，滿足大比例尺地形圖測量規(guī)范精度要求。

表1 像控點刺點精度統(tǒng)計

5 主要技術(shù)問題

采用輕小型無人機遙感系統(tǒng)獲取遙感圖像主要存在以下問題：

（1）輕小型無人機體積較小，飛行作業(yè)時受風力影響較大，難以承受過大的載荷，且續(xù)航時間不長。（2）受載荷能力和成本等因素的限制，目前輕小型無人機大多安裝低精度的導航系統(tǒng)和平衡控制系統(tǒng)，使飛行姿態(tài)難以精確。（3）不精確的航向重疊率和航線彎曲度設(shè)置，導致輕小型無人機出現(xiàn)嚴重的重拍、漏拍現(xiàn)象。（4）獲取的數(shù)據(jù)量大、圖像無規(guī)律、像幅小，增加了圖像校正、匹配、拼接等處理難度。（5）無人機和遙感設(shè)備產(chǎn)生的誤差、人為誤差及遙感數(shù)據(jù)本身帶來的誤差較大。

表2 實測點與航拍模型點數(shù)據(jù)誤差檢測表

6 結(jié)語

輕小型無人機航測流程的步驟多，內(nèi)定向是一個重要過程，大比例尺DLG高程的精度控制是一個難點。但從航攝工作實踐來看，只要控制好航攝及航測內(nèi)外業(yè)過程，就可以讓航測平面及高程精度達到規(guī)范要求。大比例尺測圖，對高程精度要求較高，在航攝設(shè)計中不能只簡單考慮符合規(guī)范的像片比例尺、GSD，還要綜合考慮相機的像素、像幅大小及重疊度等因素，要盡量選擇寬像幅視場角比較大、像素小的航攝相機，并通過網(wǎng)絡(luò)RTK提高航測外業(yè)效率與航攝精度。