無人飛艇平臺航測1∶500成圖生產工藝研究

何軍利

(山西省基礎地理信息院，太原 030001)

1 引 言

利用無人飛艇搭載小型相機來獲取航空影像，進而成攝影測量生產項目。由于該方法受空域申請限制較小、航攝成本低、飛行設計靈活，目前已經越來越多地被應用在小范圍的測繪任務中，如鄉鎮、中小縣城、縣級市的1∶500、1∶1000、1∶2000航測任務上。然而由于無人飛艇體積較大，飛行中易受到氣流影響，如果無人飛艇沒有攜帶相機穩定平臺，經常造成航攝影像的三個角元素(傾斜角、橫滾角、俯仰角)值很大；加上如果攜帶的都是簡單的非量測相機，相機分辨率有限，獲取影像的基高比很小(一般在0.1左右)。所以最初簡單的無人飛艇獲取的航空影像主要用于正射影像的制作，個別情況也用于1∶2000的航測項目上，但最終成果精度都不能滿足規范要求。需要進行大量的外業控制測量工作后，平面精度基本滿足，但高程精度仍不能滿足規范要求。因此普通簡單無人飛艇航攝數據很難被航測項目所利用。

近年來，為滿足航測成圖精度，測繪科技人員對無人飛艇航空攝影測量工序進行了不斷的技術革新。技術改進是：①開始搭載輕型組合相機，組合相機的影像地面分辨率在不斷提高，同時由于影像幅面增大，使航攝的基高比(攝影時相鄰投影中心之間的距離和相對航高的比)也大大增加；②無人飛艇引入了輕型相機姿態穩定平臺和定位測姿系統，使得獲取的影像不但更加清晰，同時攝影的空間定位更準確、空間姿態角度也更加準確；③探索新的外業像片控制測量方案；④攝影測量軟件功能也在不斷的升級，開始全面支持針對非量測相機的空三加密工作。綜合上述因素，針對無人飛艇的航空攝影、外業控制測量、內業空三加密等技術進行充分的整合，形成完備生產技術流程，使得利用無人飛艇平臺獲取的影像能夠滿足1∶500大比例尺攝影測量任務的精度要求。最終也解決了很多大型相機在進行1∶500大比例尺航測成圖時，高程需要全野外實測的技術難題。

2 無人飛艇平臺和航空攝影

2.1 飛行平臺的選取

利用無人飛艇搭載組合四拼相機進行航空攝影，四臺相機繞一假定主軸按一定方位角對稱布設，攝影時四臺相機同步曝光，相片之間影像部分相互重疊，形成一個唯一的虛擬投影中心。攝影結束后經過相機組合二次計算成像、誤差自動檢校來獲取大幅面影像(如圖將A、B、C、D 4個影像拼接成為一張航片)。四相機被安置在特定的輕型穩定平臺上，穩定平臺配備有測姿陀螺儀、角速度計等設備，可以使攝影時的姿態角度盡量小。飛艇平臺攜帶高精度雙頻GPS接收機，地面輔助布設有GPS固定站，能夠獲取更為準確的攝影飛行軌跡參數。

圖1 四拼相機拼接示意圖

2.2 航攝方案設計的主要技術要求

①飛行相對航高設計：200m～300m，飛行相對高度設計主要是參考相機的焦距和獲取影像的地面分辨率。

②航線設計：航線設計一般設計為東西航線或南北航線。航線設計要考慮當地目前風向、地面建筑物的分布情況、地面的海拔高度。航線最好設計為與風向一致、與街道平行、同一航線的飛行高度盡量一致，這些都有利于后期的數據處理。

③航向重疊度：由于我院無人飛艇平臺的載油量都有限，空中航攝停留時間在2小時左右，平臺攜帶存儲設備空間充足，因此設計的曝光時間間隔都小一些，一般航向重疊度設計在85%左右，相機曝光間隔大于2s即可。如果充分考慮到基高比時，可以將航線內曝光實地距離控制在航高的1/4(60m)，這樣抽片后的基高比正好在0.5左右，有利于提高高程精度。

④旁向重疊度：低空平臺航攝時由于受側風的影響比較明顯，旁向重疊度設計一般應在40%～55%左右，這樣才能確保航線之間達到無縫連接。在涉及有高大建筑多或密集居民區時，可適當增加航線之間的重疊度；而空曠區域在無人飛艇飛行姿態穩定時則可以適當減小旁向重疊度。

2.3 敷設構架航線提高航測項目的整體精度

改進航攝航線設計是提高成圖精度的重要方法之一。對于穩定的大飛機航攝平臺，一般不必敷設構架航線，如進行構架航線的布設也是以減少外業控制點的布設數量為目的。但對于不穩定的無人飛艇平臺來說，敷設構架航線則是非常有必要的，其可以進一步提高無人飛艇平臺的成圖精度。敷設構架航線可以提高航攝區域網的穩定性，在航線的首末和中間敷設垂直方向的構架航線，其可以大大提高航攝區域兩側和邊角區域的精度，同時增強區域網的穩定性、減小外業控制點的數量、提高內業空三加密的穩定性和可靠性。

圖2 常見的幾種航攝區域敷設構架航線的設計圖形

2.4 航線設計要考慮飛艇飛行姿態的控制

首先無人飛艇在轉彎進入下一個航線時，經常會出現飛行高度大幅下降或偏離設計航線的情況。主要原因是無人飛艇本身體積較大，動力有限，轉彎后飛回到設計航線慢。在考慮航線設計時要在航線兩端向外多飛200m左右；其次是起始航線的設計也要覆蓋到實際測區以外。

3 像片控制測量技術方案的特點

3.1 突破航空攝影測量規范要求

根據大比例尺航測規范要求：1∶500、1∶1000平地、丘陵地航測法成圖時，要求像片外業控制測量必須進行全野外。如果執行現行規范要求，無人飛艇平臺的像片控制測量工作量將會非常大，那么無人機和無人飛艇等低空攝影平臺將無法用于生產。同時大比例尺航測規范不允許進行內業空三加密，這些限制了無人飛艇平臺應用范圍。然而大比例尺的航測規范基本上是上世紀90年代參照模擬法航空攝影測量的儀器設備情況制訂的。隨著數字攝影測量技術的不斷發展，目前實際生產中大比例尺航測項目區域網布點、空三加密已經開始普遍使用。低空影像地面分辨率在不斷提高、相機的基高比在不斷增大，另外數字攝影測量軟件技術也在不斷進步。攝影測量軟件可以有效解決很多模擬攝影測量軟件無法解決的問題，如模擬的測圖要求三個角元素ω、φ、к(к角是相對較差值)小于4°。而數字攝影測量空三軟件可以在三個角元素ω、φ、к小于10°的情況下都能很好地解決相對定向問題。因此隨著航攝相機、測量軟件技術的不斷進步，在保證成果精度符合規范要求的前提條件下，技術創新和改進是技術設計所允許的。這符合測量規范中關于允許采用“規范未列入的新技術和新方法[1]”的規定，因此在保證大比例尺測圖平面和高程精度的前提下，可以采取外業區域網布點、內業空三加密的方案來確保精度。但是需要引起注意的是，不是什么樣的低空航攝資料都可以進行立體測圖，不是能夠通過空三加密的數據都可以達到很好的測圖精度。航攝影像飛行姿態好壞直接影響成圖的精度，一般好的低空平臺航攝數據，角元素ω、φ盡量控制在0～8°[2]，大于10°的基本上要剔除掉，同時測區內應盡量多布設像片控制點和檢查點進行約束空三加密。

3.2 像片控制測量工作底圖

首先不能使用單張航攝影像直接用于外業選點使用，也不能簡單地使用拼接后的影像按距離直接布點。目前可以采取的技術措施是先制作粗略的正射影像作為像片控制測量底圖，但是底圖上控制點位置要由內業空三加密組進行概略選取，外業在實際選點中只做微小移動。內業概略選點的依據是：空三加密區域網的強弱、航攝航線敷設情況、航攝影像實際姿態情況，綜合考慮上述因素后控制點基本上都分布在區域網薄弱地方和航線連接處。控制點在明顯目標上選點，選點同時要充分考慮外業測量的困難程度(如盡量避免在高速公路、居民區的獨立院落內選點等)，但最后所有的控制點都盡量選取在航線重疊處，避免選在單航線上，如航線連接區域沒有好的選點目標則要分別布點。

3.3 控制點布設方案

由于目前沒有規范規定低空平臺的外業控制點布設要求，因此像片控制測量仍然采取盡量多的控制點布設方案，增加多余控制點和檢查點數量，來檢測區域網的穩定性。我院在控制點布設的總體設計是：四周及邊沿不穩定區域密集布點；中間區域均勻布點；所有像片控制點必須布設在航線連接處。

圖3 一個區域的控制點布設方案(所有控制點均為平高點)

為充分滿足1∶500航測成圖的精度，在控制點布設上有以下幾個特點：①四邊的控制點密度很大，一般設計在300m左右；②相鄰航線要確保有連接控制點，中間航線點位間隔控制在500m左右；③在區域的四角要布設多余的控制點。基本上是首末航線間隔6基線布點，中間航線間隔10線布點(不抽片時基線長55m)，這樣布設下來區域的控制點測量難度也并不大。我院在山西萬榮縣1∶500基礎測繪項目中，采用無人飛艇搭載四拼相機，獲取縣城24km2的區域的航空影像，外業控制點和檢查點共計布設368個，外業工作量一周左右，與傳統大比例尺航測全野外像片控制測量工作量基本上是可以減小的。在經過幾個測區的空三加密和立體測圖檢驗后發現，實際這樣的控制點數量可以減少一部分，但布點的原則仍然不變，即周邊密集、中間均勻控制。

3.4 控制點的布標攝影

由于利用無人飛艇平臺獲取的航空影像進行像片控制測量時需要布設大量的外業控制點，在有些較難選取控制點的區域，就需要進行布標攝影。在航線設計完成后，將設計航線轉標到已有的正射影像圖上，確定需要進行布設標志的區域，按照航線的設計參考布點要求布設一定數量的標志點。這樣可以有效地解決控制點選點困難和精度低的問題[3]。但實際生產中布標攝影也基本上很少使用，首先是效率不高，其次時間上不夠靈活，最后關鍵是需要進行大比例尺航測任務的區域一般都有很好的選點目標。對于外業控制點很難選取的地方，由于目前影像的分辨率達到3cm～5cm左右，外業如果攜帶筆記本電腦協助放大影像進行選點，很多小目標都可以作為選點目標，如很小的一塊草地邊角、30cm～50cm的石塊角等。

4 空三加密技術要求

4.1 空三加密軟件的選取

軟件平臺我院采用Inpho數字攝影測量軟件的MATCH-AT模塊，軟件要求提供像片的外方位元素、相機參數、相對航高等參數[4]。

4.2 全區域相對定向結果分析

相對定向點的提取采取全自動的方法進行，匹配策略：level 5 FBM、level 4 FBM、level 1 FBM三級特征匹配；level 3 LSM、level 0 LSM兩級最小二乘法匹配。最小二乘法匹配應用核線影像搜索，同時匹配策略可以使用影像的初始外方位元素，也可以使用測區的DTM的地形信息作為影像匹配參考。數字攝影測量空三加密中相對定向的作用非常關鍵，一個穩定、可靠的相對定向結果應具備以下條件：①整體精度高，即相對定向中誤差小，沒有殘差很大的相對定向點；②每張航片都均勻分布有一定數量的相對定向點；③每張航片必須和相鄰航線有公共的相對定向連接點，這一點是非常重要的，空三加密必須對相對定向進行認真檢查。如果僅僅參考相對定向中誤差和點的數量，則很可能會出現航線之間的模型連接不上，最終嚴重影響平差解算的精度。

4.3 空三加密平差解算權的選取

空三加密平差解算權的選取是加密的核心內容之一，也是比較困難的，一般沒有特別的規定，但是控制點平差權的選取卻又是極其重要的，平差權設置過大會夸大誤差，加密挑粗差的難度增加，平差權設置過小則會隱藏誤差，控制點殘差又不真實。同時不同的加密軟件對平差權的設置也不一樣，但是所有加密平差權的設置原則是先大后小，逐級檢查。當控制點殘差隨平差權的改變變化不明顯時，則加密精度趨于穩定，并且可靠。平差權的大小是否準確合理，評定的唯一標準就是將加密結果導入到第三方軟件下進行立體檢測，當模型上讀取的殘差和加密殘差大小一致時，說明平差權的設置準確合理。一般在進行1∶500空三加密時設置的權為0.05左右，進行1∶1000的空三加密時權設為0.1左右。

4.4 空三加密平差時相機自檢校的設置

無人飛艇或小飛機的空三加密由于相機都是非量測相機，空三加密模塊下必須選取相機自檢校模型，如在Inpho加密軟件下要設置Compute self-calibradion parameters參數，目的是消除加密區由相機產生的系統誤差。經過多個加密區域的生產驗證，發現空三加密平差時設置相機自檢校參數能夠有效減小控制點的殘差，尤其是高程的殘差；同時經過后期立體模型的量測驗證，控制點的殘差更真實、更準確。

4.5 空三加密的精度檢查

4.5.1 相對定向精度的檢查

相對定向的精度直接關系到空三加密的穩定性、合理性。由于目前空三加密基本上都是自動提取連接點，實際部分影像同名點很難自動提取，如大面積荒漠區、林區、植被覆蓋密集區，這些區域需要對相對定向結果進行認真的檢查和分析，人工補刺一些相對定向點，以確保航線之間連接緊密，每個像片都有足夠的航線內部和航線間的相對定向點。最后相對定向中誤差一般要小于2.4μm，最大像點殘差不超過20μm。

4.5.2 控制點的轉刺及修改

像片控制點的轉刺是一個需要長期經驗積累，也是空三加密的技術難點之一。一般一個技術合格的加密技術人員應具備以下條件：①熟悉外業像片控制測量人員的作業習慣；②要有豐富影像判讀能力；③要有良好的作業習慣。空三加密需要科學的流程，精準的分析和判斷力。一般加密轉刺控制點的方法是：先轉目標明確且精度高的關鍵位置的點，再轉目標不好的和位置普通的點。要求每轉刺一個控制點都要有很高的精度，需要放大到像素級進行，同時應輔助立體模型，盡量把上下、左右視差控制到最小。

4.5.3 平差結果的分析

在空三精度合格平差結束，將區域內部任何一個量測控制點剔除后，該點內業量測得到的結果和外業成果應該是一致或接近的。高精度的、穩定的加密結果反映在加密軟件上時，出現的結果是內部所有控制點坐標反算到像方坐標位置基本準確(即預測位置準確)，這時說明空三加密基本趨于穩定、可靠。空三精度檢查可以在測圖工序或DTM編輯時導入控制點和檢查點進行立體量測檢查。空三加密平差結果一般控制在規范要求中誤差的1/3，最大殘差可以接近中誤差值，如1∶500平地空三加密基本上平面和高程中誤差小于0.08m，控制點最大殘差小于0.25m。

5 數字正射影像圖制作的技術特點

無人飛艇平臺正射影像的制作難度很高，首先是DEM數據的立體編輯工作量明顯增加，主要原因是立體模型的數量增大；飛行過程中多余的影像比較多，飛艇航攝設計由于相對航高很低，像片的航向重疊度必須很大，這樣就造成影像制作過程立體模型數量大幅增加。要求DEM編輯需要全區域整體編輯，同時要求立體模型能夠自動切換。

無人飛艇平臺正射影像制作的困難之二是像對拼接線編輯工作量也很大，同樣是因為多余影像比較多造成的。拼接線的編輯要求必須軟件能夠實時在線顯示編輯結果，拼接線改變后影像拼接結果能夠實時顯示，這樣拼接線的編輯就不會返工。

無人飛艇平臺正射影像制作的最大困難是如何綜合解決影像投影差大造成的大量影像相互壓蓋問題。由于無人飛艇的飛行高度在200m～300m之間，一些20m～100m的高層建筑的投影差就非常大，如果要獲取可視效果好、影像壓蓋合理正射影像，則需要編輯的工作量很大，這就要求拼接軟件具備正射影像局部修補功能，如果轉到第三方軟件下再處理則會相當麻煩。

6 無人飛艇存在的問題及改進技術措施

6.1 無人飛艇的飛行效率需大幅提高

目前無人飛艇的推進系統功率、飛艇的載重能力、續航能力、抗風力都很有限，技術裝備需要不斷改進，這樣無人飛艇平臺進行大比例尺成圖才能有更大、更廣泛的應用。

6.2 提高DOM生產精度的技術措施

由于無人飛艇的飛行高度很低，通常只有200m～300m左右，造成偏離影像中心的地物投影差很大，在生產正射影像時經常出現房屋的相互壓蓋，高大建筑物壓蓋道路的情況，這樣的正射影像使用起來很不方便，很難用作外業調繪的工作底圖。為提高正射影像精度，減小高大建筑物的壓蓋問題，則采取不抽片進行空三加密，影像糾正采取片片糾正，盡量使用投影中心的影像參與拼接。

6.3 確保數字地形圖生產平面精度的技術措施

無人飛艇獲取的影像在遠離投影中心的時候變形較大，平面精度會差一些，這樣一般采取隔片建立立體像對，每個立體像對都不在邊沿進行立體采集(可在立體測圖中設置余20%重疊區域就換像對)。這樣測圖始終使用像片中心區域，就能更好地確保立體測圖的平面精度。

6.4 確保數字地形圖高程精度的技術措施

在建立立體像對進行測圖時，無人飛艇的像對重疊度很大(一般不抽片有85%)，這樣產生的結果是測圖模型的基高比不大，一般只有0.25左右。基于這種情況本文采取抽片建立立體像對進行各類要素的提取，但實際生產中也發現抽片后一些超高層建筑物立體下不完整，出現漏洞，這樣還是要添加不抽片的模型進行量測。為了保證測區的高程精度能夠符合規范要求，建議還是航攝時控制好影像的曝光間距，可將影像曝光的實地間距控制在相對航高1/4左右(曝光間距55m)，則抽片后的模型基高比就可以達到0.5左右，有利于測圖高程精度的提高。

7 結束語

我院在2013年5月～10月，利用無人飛艇平臺完成了山西省運城市10個縣約350km2的航空攝影，目前已經完成各縣像片控制測量、內業空三加密，累計處理無人飛艇影像3萬余張。其中外業像片控制測量均采用區域網法布點，空三加密控制點的平面中誤差能夠控制在0.07m，高程中誤差能夠控制在0.08m；外業檢查平面高程中誤差均達到規范要求，且高程精度優于平面精度。成果數據已經通過省級質檢部門的驗收，精度完全滿足規范要求。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 7930-2008 1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量內業規范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2] 國家測繪局.CH/Z 3005-2010 低空數字航空攝影規范[S].北京：測繪出版社，2010.

[3] 國家測繪局.CH/Z 3004-2010 低空數字航空攝影測量外業規范[S].北京：測繪出版社，2010.

[4] 國家測繪局.CH/Z 3003-2010 低空數字航空攝影測量內業規范[S].北京：測繪出版社，2010.