利用彈射式無人機進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)

利用彈射式無人機進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)

針對目前無人機航空攝影測量系統具有搭載改裝檢校后非量測相機的相機內方位元素的不穩定以及飛行姿態的不穩定兩大問題進行了分析，并提出了解決思路，并通過生產實踐驗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內方位元素的變動以及相機傾角過大產生的數學精度問題，并對無人機進行測繪航空攝影根本性精度解決提出了建議。

無人機；航空攝影；內方位元素；航攝誤差

1 引 言

近年來，無人機作為一種新型的遙感平臺，已開始在災情監測、應急搜救、生態環境監測、土地利用調查、作物長勢監測、城市管理、國防事業等領域都得到越來越廣的應用。與傳統攝影測量技術相比，無人機航空攝影測量具有以下幾個方面的優勢:①低廉的人力、物力、經濟成本；②及時和靈活，無需機場起降，可以快速、機動、靈活地對目標區域進行觀測；③高效的應急反應能力，可以在惡劣的天氣條件下和災難環境中完成任務；可在云層下低空飛行，有效地對人機航測中因云層遮擋等影響而留下的漏洞區域進行補充航攝。

為了提高測繪的技術水平和效率，我院于2012年采購了武漢大學與武漢海地測繪科技有限公司聯合研制的彈射式無人機系統。該系統搭載改裝后的CCD相機作為傳感器，利用兩軸穩定平臺進行旋偏和側滾姿態改正，采用定點曝光模式進行航空攝影。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發動機作為動力，具有較好的抗風能力和姿態穩定性，續航時間可達4 h，非常適合測繪航空攝影。我院多次采用該無人機系統進行了航空攝影項目生產實踐，在生產應用上取得了一些成果。但是，由于無人機姿態不穩定性和采用傳感器的非量測性的影響，利用無人機進行測繪航空攝影項目生產仍然存在一些問題。本文試圖通過這些項目實踐中出現的問題進行歸納分析，提出嘗試性解決方案，以期使得無人機航空攝影技術得以改進，以便更好地服務于國內外大比例尺地形圖航測。

2 存在的問題及產生誤差分析

通過生產實踐，我們發現目前該系統主要存在兩個主要問題:相機內方位元素的不穩定和飛行姿態的不穩定兩大問題。

(1)相機內方位元素的不穩定分析

本系統配置的傳感器為改裝加固后的CCD相機，其中鏡頭與機身之間采用粘接技術連接固定，在實際生產作業過程中，通過不同架次飛行后相機的檢校，發現由于震動、起降沖擊、溫度、氣壓等因素的影響，使得該相機的內方位元素發生變化，也就是說采用改裝技術的相機，在上述因素的影響下，內方位元素產生了變化，從而影響到像平面坐標系和影像的焦距。我們在進行無人機航空攝影測量時發現，隨著飛行架次的增加，無人機航攝影像成圖數學精度呈線性下降的趨勢。

(2)飛行姿態的不穩定分析

盡管該系統加裝有兩軸(側滾和旋偏)穩定平臺以及飛機自身以45 Hz的頻率作仰俯改正，使得相機光軸保持近似豎直，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以及山區作業時，總存在姿態角過大的曝光相片，從而使得對應模型高程誤差較大或者超限。

由于氣流的突變，在飛機姿態(仰俯、測滾)突變時，穩定平臺未能及時有效校正時相機進行了曝光，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，如果僅以一次項的精度要求，則應考慮加入左右視差的一次項式的改正數:

這樣就把它改化為理想像對下的△p，如果未進行一次項改正數的改化，將會使豎直攝影立體模型在高程方面產生變形，這一變形就是我們所說的高程扭曲，這一扭曲將在航內立體采集時對作業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:

當像對的外方位元素為已知時，式(3)中的像點坐標為變數，那么可以將高程扭曲公式表達為:

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無人機低空攝影航測項目生產中，空三加密后選取有仰俯和側滾傾角較大的若干立體像對，進行航測內業高程與外業實測高程的比較，側滾角較大的立體模型，從誤差分布上來看，表現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果，進行中誤差統計，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。

這一誤差曲面對實際航空攝影作業具有理論指導意義，在實際生產作業中，特別是無人機等小型飛行器作為遙感平臺，其飛行姿態控制的好壞，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，無人機應用于測繪生產，針對本文提出的無人機采用改裝相機內方位元素的不穩定性問題，這種不穩定性，主要是由于無人機在起降過程中劇烈的撞動造成的影響，在生產實踐中，我們采用每架次飛行數據進行單獨的相機檢校，較好地控制了內方位元素的變動，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，我們對相機進行室內檢校，獲取相機的畸變參數和內方位元素，結果如表1所示。無人機起降兩個架次后，我們再對該相機進行室內檢校，獲取另外一組畸變參數和內方位元素，結果如表2所示。

第一次相機檢校主要參數 表1

第二次相機檢校主要參數 表2

將兩個架次的影像用第一次檢校結果進行糾正，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果進行糾正，空三加密利用兩個相機文件作業；最后對兩組加密結果的第二架次航測立體模型進行檢測點量測和中誤差統計。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行立體量測，與野外實際采集明顯地物點進行誤差統計，結果如表3所示。

兩次加密結果誤差比較(成圖比例尺1∶2 000) 表3

由上述數據可以看出，由于振動等因素的影響，相機的內方位元素已經發生明顯改變，顯然采用外部加固技術是不能很好地保持相機內方位元素穩定性的；從兩組立體模型采集的地物點中誤差來分析，盡管相機內方位元素發生了改變，但將相機不同架次的檢校結果分別用于不同的飛行架次，是可以獲得較好的量測結果的。

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

4 結 論

利用無人機搭載改裝檢校后的非量測相機，在進行有效的控制情況下，可以經濟高效地解決小面積及局部地形圖修補測等測繪工作，具有一定的生產應用價值。本文針對目前無人機系統具有機搭載改裝檢校后非量測相機的相機內方位元素的不穩定以及飛行姿態的不穩定兩大問題進行了分析，并提出了解決思路。通過我們的生產實踐發現，文中提出的解決方案能在一定程度上避免由于相機內方位元素的變動以及相機傾角過大產生的高程扭曲等問題，但是還不能從根本上解決無人機姿態易變及非量測相機改裝的缺陷。要徹底解決這些問題，還需要在無人機用相機本身穩定性方面作更深入的研究，特別是相機硬件本身進行特別設計，以解決相機內方位元素穩定性及航向像移補償等方面，真正實現無人機進行測繪航空攝影。

[1] CJJ8-99.城市測量規范[S].

[2] 張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢大學出版社，1997.

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

[4] 黃世德.航空攝影測量學[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用[J].武漢大學學報·信息科學版，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業規范[S].

《西寧市高精度三維大地測量基準的研究與建設》項目通過驗收

(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的研究與建設》項目驗收會。該項目由西寧市測繪院和武漢大學測繪學院共同建設完成。驗收會專家組組長為中國工程院院士劉經南(原武漢大學校長)，成員為國家測繪地理信息局發展研究中心主任張輝峰、國家基礎地理信息中心大地測量部主任張鵬、中國測繪科學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、青海省測繪產品質量監督檢驗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。

在聽取完項目工作報告和技術報告后，經與會專家質詢和評議，一致認為:《西寧市高精度三維大地測量基準的研究與建設》項目符合三維大地測量基準規范要求，建成的由56個控制點組成的西寧市高精度GPS控制網，布設均勻，網形結構合理，數據處理嚴密，點位精度高，其控制點符合85國家高程基準和56黃海高程基準，同時也符合國家測繪基準，其精度為厘米級，坐標能夠相互轉換。該項目利用高頻地形數據采用高階積分核函數方法確定了精密重力大地水準面，建立了分辨率為2″×2″、精度優于1.0 cm的西寧市高精度似大地水準面精化模型。

該項目的建成，極大地提高了高精度空間定位技術，將滿足基于西寧市大地數據庫、專題GIS研制、4D產品開發、GPSRTK測量的“數字西寧”基礎地理信息建設需要，改變了傳統的水準測量和GPSRTK作業模式，能夠為西寧市經濟建設、領導決策、重大工程建設的順利進行以及西寧市社會經濟可持續發展提供高精度、多功能的測繪技術保障。

(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，主要從事測繪技術管理工作。

國家973計劃資助項目(2012CB719902)