天寶X100無人機攝影測量試驗

山西省電力勘測設計院 李少龍

北京麥格天渱科技發展有限公司 蔣國輝

一、引 言

近年來，無人機(unmanned aerial vehicles，UAV)攝影測量技術發展迅速，在大比例尺地形圖測繪領域得到了廣泛應用。盡管如此，無人機操控難度大、數據處理過程復雜等因素在很大程度上制約了該技術的應用。

美國Trimble公司旗下Gatewing公司推出的無人機X100(天鷹)機身輕小、操作簡便，國外的測試結果表明其攝影測量成果數據精度可達到平面5 cm、高程10 cm的水平。為了測試其性能，筆者選取一個面積約1 km2的公園作為試驗區，利用X100實地采集航空影像，經空三處理后利用檢查點對比計算其精度，分析和評價X100應用于大比例尺地形圖測繪的可行性和適用性。

二、無人機系統介紹

天鷹X100由Trimble旗下的比利時Gatewing公司生產，機長60 cm，翼展100 cm，飛機使用碳纖維材料，凈重2.2 kg，動力系統采用鋰電池驅動無刷電機，巡航速度80 km/h，飛行高度100～750 m，續航時間45 min。飛機采用彈射起飛、機腹滑降模式，爬升、攝影和降落過程都按地面控制系統事先設定的路線自主完成(如圖1所示)。

圖1 X100無人機

無人機系統的硬件構成以自動駕駛儀EBOX為核心，連接電機、機翼動作桿等動力系統，導航GPS、氣壓計、空速傳感器、陀螺儀、加速度計等構成的姿態傳感及控制系統，數碼相機，并通過數傳電臺與地面控制站進行實時通信。

X100搭載了一款理光GR digital 4高端卡片數碼相機，CCD尺寸1/1.7英寸，分辨率為3648像素×2736像素，每個像素大小為2 μm，采用6 mm的定焦鏡頭。

三、試驗過程

1.試驗區概況與航攝方案設計

試驗區位于某市一體育公園內，南北長約1.5 km，東西寬約1 km，平均海拔840 m，地形平坦。公園內有體育館、道路、花圃等建構筑物和人工設施，便于選取影像分辨精度高的地面控制點。

在試驗區測設了188個野外控制點。這些控制點均勻分布于試驗場內，都是各類人工設施的拐角等，色彩對比明顯，從像片上可以清晰辨認。控制點采用假設坐標系和假設高程系，使用天寶R8 GNSS實時動態模式測量，測量精度優于3 cm。航攝方案按區域網設計，主要技術參數見表1。無人機控制器自動設計攝影路線。

表1 航攝方案技術參數

2.數據獲取

試驗當天天氣晴朗、能見度較高，風速約4～5級。起降場選擇在試驗區以東5 km的一塊休耕的空地，按作業手冊的要求，場地長度不小于100 m，寬度不小于30 m。

起飛前需在地面控制器上設置測區范圍、航高、航向、旁向重疊度，以及起降位置等參數，并上傳至飛機。

X100的彈射架為鋁合金折疊裝置，展開后長度3 m。彈射動力來自4根橡膠繩索，人工轉動絞盤上緊后安置飛機，發射角度24°。

然后按作業手冊規定逐項檢查飛機工況，整個準備過程耗時約20 min。一切就緒后，點擊控制面板上的緊急情況處理指令，按下發合閘，無人機被迅速彈出，電機自動啟動，無人機即按照設定起飛路線爬升，飛向測區(如圖2所示)。

X100飛行過程中向地面控制器實時回傳航跡、航速、航高等參數，如有意外情況，通過控制器發出指令，飛機可以原地、左轉300 m、右轉300 m盤旋，或終止飛行任務，立即返航降落。

整個航攝過程用時90 min，共拍攝像片479張。

圖2 X100彈射起飛

3.空三加密計算及結果分析

本次試驗使用俄羅斯Agisoft PhotoScan軟件進行空三加密計算。計算前利用相機檢校參數對原始影像進行畸變糾正。模型連接完成后，人工加刺16個地面控制點，其中6個為檢查點。平差后，6個檢查點中平面位置不符值最大為0.09 m(Δx)和0.15 m(Δy)，高程不符值最大為0.14 m，計算界面如圖3所示。

從平差結果可以看出，由于本次測試設計的航向和旁向重疊度比較大，自動提取的連接點多數達到9°以上重疊，連接強度大，只需少量地面控制點即可取得滿意的平差結果。

圖3 空三加密計算界面

4.現場檢查結果分析

為了進一步檢驗精度質量，在試驗場地中布設的地面控制點中選取了95個點，比較其GPS測量成果與立體模型中的人工測量成果，坐標及高程較差平均值分別為0.08 m(Δx)、0.07 m(Δy)和0.14 m(Δh)，對應的較差中誤差分別為0.05 m、0.06 m和0.09 m。此結果也進一步說明了該試驗區攝影測量的成果質量和精度符合1∶1000地形圖成圖的要求。圖4為地面檢查點高程較差的分布情況。

圖4 檢查點Δh分布

四、結 論

1)天寶X100無人機攝影測量系統體積小，運輸方便，設備的安裝部署及飛行和攝影參數的設置都十分快捷簡便，飛機起降和執行任務的自動化程度很高，操作人員經過簡單培訓后就可以獨立完成航空攝影任務，極大地方便了很多測繪單位和部門自主開展無人機小區域和應急測繪工作。

2)X100系統的安全性和可靠性設計達到了相當的高度。飛機的重量、體積和泡沫復合材料外殼使其在極端情況下都不至于產生致命傷害。飛行過程與控制系統的實時通信保證了操作人員對飛機的監測與控制，自動化的起降避免了因操作失誤而引發事故。飛機內還裝置了野外位置發射器，即使飛機意外失蹤也可以靠它找回。

3)從試驗的結果來看，X100的攝影成果精度達到了常規1∶1000測圖的要求。對于小區域測圖項目來說，利用X100無人機進行攝影測量是一種很有效的解決方案。

（本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦）