張海坤 謹(jǐn)雪朝 馬果楨 陳盼盼 岳魁

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000；2.河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450003；3.山東正元航空遙感技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；4.河南省煤田地質(zhì)局 物探測(cè)量隊(duì)，河南 鄭州 450000；5.方宇勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450000)

1 引言

近年來，消費(fèi)級(jí)電動(dòng)固定翼無人機(jī)取得了較大發(fā)展，以其成本較低，操作、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在小范圍航測(cè)作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。航測(cè)作業(yè)中像控點(diǎn)布設(shè)十分重要，低空無人機(jī)獲取的影像有像幅小、像片多、重疊率不規(guī)則和影像傾角過大等特點(diǎn)[3-5]，其成圖精度受地面像控點(diǎn)的分布和數(shù)量影響。本文以消費(fèi)級(jí)天行者X8 航空模型為載機(jī)，加載自駕儀與索尼NEX-3N 數(shù)碼相機(jī)構(gòu)建一套低成本、易操作、易維護(hù)的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，以此完成航攝獲取試驗(yàn)區(qū)影像，并通過不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行1∶500 航測(cè)精度的分析，以驗(yàn)證構(gòu)建的無人機(jī)系統(tǒng)在航測(cè)領(lǐng)域的可行性。

2 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)以Skywalker Tech 公司生產(chǎn)的天行者X8 為載機(jī)，使用高放電電流的鋰電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備，搭載飛控系統(tǒng)和任務(wù)設(shè)備配合地面站和數(shù)據(jù)鏈組成無人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)。無人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃轱w行系統(tǒng)、任務(wù)載荷和地面系統(tǒng)[6]，無人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 飛行系統(tǒng)

無人機(jī)飛行系統(tǒng)包括載機(jī)、飛控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。無人機(jī)載機(jī)是所有空中設(shè)備的載體，除機(jī)體外還包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、伺服系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)接收并處理由地面站發(fā)送的控制信息，按照預(yù)設(shè)指令控制無人機(jī)飛行并按條件執(zhí)行預(yù)設(shè)命令，包含GPS 模塊、加速度計(jì)模塊等傳感器和微處理器。通信系統(tǒng)主要是指飛控系統(tǒng)與地面站進(jìn)行通信的數(shù)傳電臺(tái)，需要無人機(jī)載端與地面系統(tǒng)端配套使用。

2.2 任務(wù)載荷

為獲取地面影像數(shù)據(jù),航測(cè)無人機(jī)一般搭載各種相機(jī)作為任務(wù)載荷。由于無人機(jī)所能搭載設(shè)備的質(zhì)量較小，一般使用單反或者微單相機(jī)進(jìn)行作業(yè)。由于上述相機(jī)不是專用量測(cè)相機(jī)，在進(jìn)行航攝作業(yè)前要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定以求解其內(nèi)方位元素并進(jìn)行畸變改正。

2.3 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)包括任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，其主要作用是在無人機(jī)組裝調(diào)試階段對(duì)飛控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試設(shè)置,并在飛行過程中保障飛行系統(tǒng)正常工作。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成無人機(jī)飛行過程中的飛行高度、航向、曝光間隔等航線設(shè)計(jì)工作。監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)飛行任務(wù)臨時(shí)進(jìn)行更改、飛行故障的應(yīng)急處置等。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)無人機(jī)與地面系統(tǒng)之間的通信，是地面系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和監(jiān)控的紐帶。

3 無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量成圖

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)區(qū)位于華東地區(qū)，地勢(shì)平坦，無明顯高低起伏。采用無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)，獲取了試驗(yàn)區(qū)的低空數(shù)碼影像，其航攝作業(yè)參數(shù)如表1 所示。測(cè)區(qū)共有8 條航帶332 張影像，航帶排列如圖2 所示。

表1 航攝作業(yè)參數(shù)

圖2 航帶排列圖

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)方案

根據(jù)像控點(diǎn)布設(shè)及后續(xù)處理手段的不同，像控點(diǎn)布設(shè)方案分全野外布點(diǎn)和非全野外布點(diǎn)兩種。全野外布點(diǎn)外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量多、工作量大，一般只適用于精度要求高、小面積區(qū)域或者特殊區(qū)域的航測(cè)作業(yè)。非全野外布點(diǎn)按照一定要求在外業(yè)只實(shí)測(cè)部分控制點(diǎn)，通過空三加密的方式求解一定數(shù)量的加密點(diǎn)和所有像片的外方位元素，能在滿足一定精度的情況下大幅減少實(shí)測(cè)控制點(diǎn)的數(shù)量，生產(chǎn)中主要使用該方法布設(shè)像控點(diǎn)。

非全野外布點(diǎn)方法又分為區(qū)域網(wǎng)法、航帶網(wǎng)法等，一般采用區(qū)域網(wǎng)法進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)[7-9]。在進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)前，需要綜合考慮原始影像分辨率、成果的精度要求等多種因素，在符合攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范對(duì)空三加密精度要求的基礎(chǔ)上，對(duì)布點(diǎn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證不同像控點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)精度的影響，在本次試驗(yàn)中按照使用的像控點(diǎn)數(shù)量從少到多共設(shè)計(jì)4 種控制點(diǎn)布設(shè)方案。

方案1：在測(cè)區(qū)四角分別布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn)。

方案2：在測(cè)區(qū)四周及中間部位共布設(shè)9 個(gè)平高控制點(diǎn)。

方案3：航向每6 條基線、旁向每2 條航帶布設(shè)1個(gè)平高像控點(diǎn)。

方案4：航向每3 條基線、旁向每2 條航帶布設(shè)1個(gè)平高像控點(diǎn)。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)低空影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理采用Inpho軟件，使用該軟件進(jìn)行空三加密處理需提供影像文件、相機(jī)文件、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)。相機(jī)文件由相機(jī)檢校得到，用于提供相機(jī)參數(shù)的初始值；控制點(diǎn)數(shù)據(jù)包括實(shí)地測(cè)量的像控點(diǎn)、檢核點(diǎn)坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的刺點(diǎn)圖，將根據(jù)不同的試驗(yàn)方案導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行處理；POS 數(shù)據(jù)是飛控系統(tǒng)記錄的相機(jī)曝光時(shí)刻的GPS/IMU 信息，用于排列像片并建立航帶?？杖Y(jié)束后，將Inpho 空三處理結(jié)果導(dǎo)出為PATB 格式，再導(dǎo)入VirtuoZo 軟件，建立立體模型后進(jìn)行立體數(shù)據(jù)采集，完成DLG 制作[10-11]。

4 精度分析

按照上述4 種像控點(diǎn)布設(shè)方案實(shí)地進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，在測(cè)量像控點(diǎn)的同時(shí)選擇一定的地物作為檢核點(diǎn)以評(píng)定后續(xù)數(shù)據(jù)處理的精度，在本次試驗(yàn)中檢核點(diǎn)為73 個(gè)。目前，評(píng)價(jià)空三平差精度主要看檢查點(diǎn)和內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)的精度，分別統(tǒng)計(jì)較差和中誤差。中誤差采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

公式（1）中，m 為點(diǎn)的中誤差，單位為米；Δ 為點(diǎn)的坐標(biāo)較差，單位為米；n 為參與評(píng)定精度的點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

根據(jù)《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236—2009）中1∶500 比例尺成圖對(duì)空三解算精度的規(guī)定要求，分別對(duì)上述4 種方案進(jìn)行空三平差，平差后像控點(diǎn)平面殘差與高程殘差統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)區(qū)空三精度統(tǒng)計(jì)

表2 中，基本定向點(diǎn)平面位置中誤差，平地、丘陵地不應(yīng)大于0.13m；檢查點(diǎn)平面位置中誤差，平地、丘陵地不應(yīng)大于0.175m；基本定向點(diǎn)高程位置中誤差，平地不應(yīng)大于0.11m，丘陵地不應(yīng)大于0.2m；檢查點(diǎn)高程位置中誤差，平地不應(yīng)大于0.15m，丘陵地不應(yīng)大于0.28m。

5 結(jié)論

根據(jù)航攝條件及不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案，可得出結(jié)論：各方案平差后檢核點(diǎn)平面精度相差不大。隨著像控點(diǎn)數(shù)目的增加,平面精度略有改善，表明像控點(diǎn)的布設(shè)方案對(duì)平面精度影響較小，像控點(diǎn)的增加與優(yōu)化對(duì)平面精度沒有明顯提高。隨著像控點(diǎn)的增加，空三加密后檢核點(diǎn)誤差逐漸逼近像控點(diǎn)殘差，在方案4的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高像控點(diǎn)布設(shè)密度不會(huì)明顯提高空三加密的精度。上述4 種布點(diǎn)方案平面精度均滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)于平地區(qū)域1∶500 比例尺測(cè)繪的要求，但只有方案4的高程精度滿足1∶500比例尺測(cè)繪要求。因此，應(yīng)該合理布置像控點(diǎn)，力求達(dá)到經(jīng)濟(jì)、適用。