利用彈射式無人機(jī)進(jìn)行航空攝影若干問題分析

石雅文

(遼寧地礦測繪院，遼寧沈陽 110121)

利用彈射式無人機(jī)進(jìn)行航空攝影若干問題分析

石雅文?

(遼寧地礦測繪院，遼寧沈陽 110121)

針對目前無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)具有搭載改裝檢校后非量測相機(jī)的相機(jī)內(nèi)方位元素的不穩(wěn)定以及飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定兩大問題進(jìn)行了分析，并提出了解決思路，并通過生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證了文中提出的解決方案。該方案能在一定程度上緩解由于相機(jī)內(nèi)方位元素的變動以及相機(jī)傾角過大產(chǎn)生的數(shù)學(xué)精度問題，并對無人機(jī)進(jìn)行測繪航空攝影根本性精度解決提出了建議。

無人機(jī)；航空攝影；內(nèi)方位元素；航攝誤差

1 引 言

近年來，無人機(jī)作為一種新型的遙感平臺，已開始在災(zāi)情監(jiān)測、應(yīng)急搜救、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查、作物長勢監(jiān)測、城市管理、國防事業(yè)等領(lǐng)域都得到越來越廣的應(yīng)用。與傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)相比，無人機(jī)航空攝影測量具有以下幾個方面的優(yōu)勢:①低廉的人力、物力、經(jīng)濟(jì)成本；②及時和靈活，無需機(jī)場起降，可以快速、機(jī)動、靈活地對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行觀測；③高效的應(yīng)急反應(yīng)能力，可以在惡劣的天氣條件下和災(zāi)難環(huán)境中完成任務(wù)；可在云層下低空飛行，有效地對人機(jī)航測中因云層遮擋等影響而留下的漏洞區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充航攝。

為了提高測繪的技術(shù)水平和效率，我院于2012年采購了武漢大學(xué)與武漢海地測繪科技有限公司聯(lián)合研制的彈射式無人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載改裝后的CCD相機(jī)作為傳感器，利用兩軸穩(wěn)定平臺進(jìn)行旋偏和側(cè)滾姿態(tài)改正，采用定點(diǎn)曝光模式進(jìn)行航空攝影。它采用彈射起飛，傘降模式，滿載荷重量為30 kg，采用兩沖程110CC發(fā)動機(jī)作為動力，具有較好的抗風(fēng)能力和姿態(tài)穩(wěn)定性，續(xù)航時間可達(dá)4 h，非常適合測繪航空攝影。我院多次采用該無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了航空攝影項(xiàng)目生產(chǎn)實(shí)踐，在生產(chǎn)應(yīng)用上取得了一些成果。但是，由于無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定性和采用傳感器的非量測性的影響，利用無人機(jī)進(jìn)行測繪航空攝影項(xiàng)目生產(chǎn)仍然存在一些問題。本文試圖通過這些項(xiàng)目實(shí)踐中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納分析，提出嘗試性解決方案，以期使得無人機(jī)航空攝影技術(shù)得以改進(jìn)，以便更好地服務(wù)于國內(nèi)外大比例尺地形圖航測。

2 存在的問題及產(chǎn)生誤差分析

通過生產(chǎn)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)目前該系統(tǒng)主要存在兩個主要問題:相機(jī)內(nèi)方位元素的不穩(wěn)定和飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定兩大問題。

(1)相機(jī)內(nèi)方位元素的不穩(wěn)定分析

本系統(tǒng)配置的傳感器為改裝加固后的CCD相機(jī)，其中鏡頭與機(jī)身之間采用粘接技術(shù)連接固定，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中，通過不同架次飛行后相機(jī)的檢校，發(fā)現(xiàn)由于震動、起降沖擊、溫度、氣壓等因素的影響，使得該相機(jī)的內(nèi)方位元素發(fā)生變化，也就是說采用改裝技術(shù)的相機(jī)，在上述因素的影響下，內(nèi)方位元素產(chǎn)生了變化，從而影響到像平面坐標(biāo)系和影像的焦距。我們在進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測量時發(fā)現(xiàn)，隨著飛行架次的增加，無人機(jī)航攝影像成圖數(shù)學(xué)精度呈線性下降的趨勢。

(2)飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定分析

盡管該系統(tǒng)加裝有兩軸(側(cè)滾和旋偏)穩(wěn)定平臺以及飛機(jī)自身以45 Hz的頻率作仰俯改正，使得相機(jī)光軸保持近似豎直，但由于改正的延時性以及空中氣流突變的影響，在氣流變化較大的地區(qū)以及山區(qū)作業(yè)時，總存在姿態(tài)角過大的曝光相片，從而使得對應(yīng)模型高程誤差較大或者超限。

由于氣流的突變，在飛機(jī)姿態(tài)(仰俯、測滾)突變時，穩(wěn)定平臺未能及時有效校正時相機(jī)進(jìn)行了曝光，此時曝光的相片往往傾角超限，從而造成立體模型高程誤差變大甚至超限。

一般來說，豎直攝影立體像對高差公式為:

而實(shí)際航空攝影每一立體相對均含有傾角誤差，那么對于含有航攝像片傾角的豎直攝影的立體像對來說，如果僅以一次項(xiàng)的精度要求，則應(yīng)考慮加入左右視差的一次項(xiàng)式的改正數(shù):

這樣就把它改化為理想像對下的△p，如果未進(jìn)行一次項(xiàng)改正數(shù)的改化，將會使豎直攝影立體模型在高程方面產(chǎn)生變形，這一變形就是我們所說的高程扭曲，這一扭曲將在航內(nèi)立體采集時對作業(yè)員造成立體視覺錯誤，如水塘面凹曲等，從而造成航測高程誤差伸直誤差超限。

那么由于δ△p引起的高程誤差為:

當(dāng)像對的外方位元素為已知時，式(3)中的像點(diǎn)坐標(biāo)為變數(shù)，那么可以將高程扭曲公式表達(dá)為:

由此可見，由于像片傾角引起的高程誤差曲面為一個雙曲線的拋物面。

近期在海拉爾1∶2 000無人機(jī)低空攝影航測項(xiàng)目生產(chǎn)中，空三加密后選取有仰俯和側(cè)滾傾角較大的若干立體像對，進(jìn)行航測內(nèi)業(yè)高程與外業(yè)實(shí)測高程的比較，側(cè)滾角較大的立體模型，從誤差分布上來看，表現(xiàn)為一種拋物面的扭曲變形，立體效果這種拋物面扭曲變形也較為明顯。同樣，我們再選取仰俯角較大的立體相對量測結(jié)果，進(jìn)行中誤差統(tǒng)計(jì)，從誤差分布上來看，類似一個雙曲面的扭曲，同樣，在立體模型下，這種扭曲在水域面感覺非常明顯。

這一誤差曲面對實(shí)際航空攝影作業(yè)具有理論指導(dǎo)意義，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，特別是無人機(jī)等小型飛行器作為遙感平臺，其飛行姿態(tài)控制的好壞，也將影響到最終航測成圖的高程精度。

3 解決方案

從以上問題分析來看，無人機(jī)應(yīng)用于測繪生產(chǎn)，針對本文提出的無人機(jī)采用改裝相機(jī)內(nèi)方位元素的不穩(wěn)定性問題，這種不穩(wěn)定性，主要是由于無人機(jī)在起降過程中劇烈的撞動造成的影響，在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們采用每架次飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的相機(jī)檢校，較好地控制了內(nèi)方位元素的變動，從而也有效地控制了立體量測精度。為此，我們做了如下測試:

在第一架次飛行前，我們對相機(jī)進(jìn)行室內(nèi)檢校，獲取相機(jī)的畸變參數(shù)和內(nèi)方位元素，結(jié)果如表1所示。無人機(jī)起降兩個架次后，我們再對該相機(jī)進(jìn)行室內(nèi)檢校，獲取另外一組畸變參數(shù)和內(nèi)方位元素，結(jié)果如表2所示。

第一次相機(jī)檢校主要參數(shù) 表1

第二次相機(jī)檢校主要參數(shù) 表2

將兩個架次的影像用第一次檢校結(jié)果進(jìn)行糾正，然后加密量測；再將兩個架次的飛行影像分別用兩組檢校結(jié)果進(jìn)行糾正，空三加密利用兩個相機(jī)文件作業(yè)；最后對兩組加密結(jié)果的第二架次航測立體模型進(jìn)行檢測點(diǎn)量測和中誤差統(tǒng)計(jì)。由于第二架次航測影響較大，所以采用第二架次航測加密模型進(jìn)行立體量測，與野外實(shí)際采集明顯地物點(diǎn)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

兩次加密結(jié)果誤差比較(成圖比例尺1∶2 000) 表3

由上述數(shù)據(jù)可以看出，由于振動等因素的影響，相機(jī)的內(nèi)方位元素已經(jīng)發(fā)生明顯改變，顯然采用外部加固技術(shù)是不能很好地保持相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性的；從兩組立體模型采集的地物點(diǎn)中誤差來分析，盡管相機(jī)內(nèi)方位元素發(fā)生了改變，但將相機(jī)不同架次的檢校結(jié)果分別用于不同的飛行架次，是可以獲得較好的量測結(jié)果的。

此外無人機(jī)由于重量較輕，容易受氣流等因素的影響，從而對飛行姿態(tài)及相機(jī)姿態(tài)造成影響，那么我們在加裝相機(jī)穩(wěn)定平臺的同時，在進(jìn)行測量項(xiàng)目的飛行時，盡量選擇良好的天氣進(jìn)行飛行作業(yè)。同時結(jié)合上面推導(dǎo)出的像片傾角引起的高程誤差曲面對測量結(jié)果進(jìn)行高程誤差的改正。

4 結(jié) 論

利用無人機(jī)搭載改裝檢校后的非量測相機(jī)，在進(jìn)行有效的控制情況下，可以經(jīng)濟(jì)高效地解決小面積及局部地形圖修補(bǔ)測等測繪工作，具有一定的生產(chǎn)應(yīng)用價值。本文針對目前無人機(jī)系統(tǒng)具有機(jī)搭載改裝檢校后非量測相機(jī)的相機(jī)內(nèi)方位元素的不穩(wěn)定以及飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定兩大問題進(jìn)行了分析，并提出了解決思路。通過我們的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，文中提出的解決方案能在一定程度上避免由于相機(jī)內(nèi)方位元素的變動以及相機(jī)傾角過大產(chǎn)生的高程扭曲等問題，但是還不能從根本上解決無人機(jī)姿態(tài)易變及非量測相機(jī)改裝的缺陷。要徹底解決這些問題，還需要在無人機(jī)用相機(jī)本身穩(wěn)定性方面作更深入的研究，特別是相機(jī)硬件本身進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，以解決相機(jī)內(nèi)方位元素穩(wěn)定性及航向像移補(bǔ)償?shù)确矫妫嬲龑?shí)現(xiàn)無人機(jī)進(jìn)行測繪航空攝影。

[1] CJJ8-99.城市測量規(guī)范[S].

[2] 張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1997.

[3] 馮文灝.關(guān)于近景攝影機(jī)檢校的幾個問題[J].測繪科學(xué)，2000(10)：13.

[4] 黃世德.航空攝影測量學(xué)[M].北京：測繪出版社，1987.

[5] 袁修孝，高宇，鄒小榮.GPS輔助空中三角測量在低空航測大比例尺地形圖成圖中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2012，37(11)：1289～1293.

[6] GB 7930-87.1∶500，1∶1000，1∶2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].

《西寧市高精度三維大地測量基準(zhǔn)的研究與建設(shè)》項(xiàng)目通過驗(yàn)收

(本刊訊)2013年4月10日下午，由西寧市國土資源局組織專家，在西寧市測繪院召開《西寧市高精度三維大地測量基準(zhǔn)的研究與建設(shè)》項(xiàng)目驗(yàn)收會。該項(xiàng)目由西寧市測繪院和武漢大學(xué)測繪學(xué)院共同建設(shè)完成。驗(yàn)收會專家組組長為中國工程院院士劉經(jīng)南(原武漢大學(xué)校長)，成員為國家測繪地理信息局發(fā)展研究中心主任張輝峰、國家基礎(chǔ)地理信息中心大地測量部主任張鵬、中國測繪科學(xué)研究院副主任文漢江、天津市勘察測繪研究院高級工程師竇華成院長、常州市測繪院高級工程師劉全海院長、青海省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站高級工程師李偉東站長。青海省測繪地理信息局副局長盧曉平、西寧市國土資源局局長包維珍、西寧市測繪地理信息局副局長張志山等參加了會議。

在聽取完項(xiàng)目工作報告和技術(shù)報告后，經(jīng)與會專家質(zhì)詢和評議，一致認(rèn)為:《西寧市高精度三維大地測量基準(zhǔn)的研究與建設(shè)》項(xiàng)目符合三維大地測量基準(zhǔn)規(guī)范要求，建成的由56個控制點(diǎn)組成的西寧市高精度GPS控制網(wǎng)，布設(shè)均勻，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)處理嚴(yán)密，點(diǎn)位精度高，其控制點(diǎn)符合85國家高程基準(zhǔn)和56黃海高程基準(zhǔn)，同時也符合國家測繪基準(zhǔn)，其精度為厘米級，坐標(biāo)能夠相互轉(zhuǎn)換。該項(xiàng)目利用高頻地形數(shù)據(jù)采用高階積分核函數(shù)方法確定了精密重力大地水準(zhǔn)面，建立了分辨率為2″×2″、精度優(yōu)于1.0 cm的西寧市高精度似大地水準(zhǔn)面精化模型。

該項(xiàng)目的建成，極大地提高了高精度空間定位技術(shù)，將滿足基于西寧市大地?cái)?shù)據(jù)庫、專題GIS研制、4D產(chǎn)品開發(fā)、GPSRTK測量的“數(shù)字西寧”基礎(chǔ)地理信息建設(shè)需要，改變了傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量和GPSRTK作業(yè)模式，能夠?yàn)槲鲗幨薪?jīng)濟(jì)建設(shè)、領(lǐng)導(dǎo)決策、重大工程建設(shè)的順利進(jìn)行以及西寧市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供高精度、多功能的測繪技術(shù)保障。

(西寧市測繪院辦公室供稿)

Analysis of theAerial Photogrammetry by the UAV

Shi Yawen
(Institute of Surveying and Mapping of Liaoning Geological＆Mineral Bureau，Shenyang 110121，China)

In this paper，it analyzes twomain problems of the internal orientation elements instability，in view of the UAV aerial photogrammetry system withmodified and calibrated non-metric camera and flightattitude instability，and put forward a solution，and the solution proposed in this paper is verified by the production practice，it can alleviate themathematical precision due to the inner orientation elements change and the camera angle big change.And puts forward some suggestions to solve the UAV aerial photography fundamental accuracy of surveying and mapping.

UAV；aerial photogrammetry；inner orientation element；error

1672-8262(2013)03-89-03

P237

B

2013—05—24

石雅文(1960—)，男，高級工程師，副總工程師，主要從事測繪技術(shù)管理工作。

國家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012CB719902)