無人機大比例尺航測系統的研制及應用

鄧學鋒，賀雅輝，高 宇

(1. 河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003； 2. 湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001； 3. 湖北山銳航空遙感科技有限公司，湖北 武漢430070)

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無人機大比例尺航測系統的研制及應用

鄧學鋒1，賀雅輝2，高 宇3

(1. 河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003； 2. 湖南省第一測繪院，湖南 衡陽 421001； 3. 湖北山銳航空遙感科技有限公司，湖北 武漢430070)

以無人機作為低空遙感平臺，將選擇的輕小型量測相機與定制的小型雙頻高動態GPS進行搭載集成，并自主研制了一種三軸穩定云臺裝置，可保持無人機航攝時相機姿態的穩定，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規范要求。將該系統應用于1∶500大比例尺地形圖測繪項目，結果表明該系統的成圖精度完全可以滿足國家航測內業成圖規范及城市測量規范要求。

無人機航測系統；穩定云臺；大比例尺測圖

目前多數無人機由于體型小、載荷有限，多搭載輕小型非量測普通相機作為影像獲取裝備，而用于定位定姿等的輔助設備通常重量和體積較大，難以集成于無人機低空遙感平臺上，限制了無人機航空攝影測量在大比例尺(如1∶500)測圖中的應用。此外，由于非量測相機的內方位元素和鏡頭畸變系數未知，光學系統不穩定，使得獲取的航空影像難以滿足大比例尺測圖的精度要求。盡管無人機載GPS輔助系統在我國西部中小比例尺地形圖測繪中得到了廣泛應用，但對于成果精度需求較高的項目，如生產1∶500—1∶1000大比例尺地形圖，仍難以滿足成圖精度要求。因此，研制適用于大比例尺地形圖測繪的無人機搭載平臺，具有成本低、易推廣等特點，以及重要的實際應用價值。

時間延遲積分(TDI)技術可大幅度提升航空影像的幾何分辨率，為無人機低空攝影測制大比例尺地形圖提供了良好的數據支持，而GPS硬件與低空攝影系統的集成也為無人機大比例尺航測系統提供了可靠的技術支撐。本文利用時間延遲積分(TDI)技術和GPS輔助系統，自主研制了相機穩定云臺裝置，并與無人機載GPS輔助航測系統進行集成，形成了無人機大比例尺航測系統，在“數字固始地理空間框架建設”項目中進行了1∶500地形圖測繪，結果表明該系統在航攝過程中內方位元素表現穩定，獲得的航攝影像質量高，成圖精度滿足國家相關規范要求，并大量減少了外業工作量，顯著提高了生產效率。

1 加裝云臺穩定裝置的無人機載GPS輔助航測系統

為克服無人機載荷小、無法搭載大型量測型相機等問題，使之滿足大比例尺航測需求，本文選用輕小型量測型相機，并研制了能夠保持航飛過程中相機姿態角穩定的三軸穩定云臺裝置，然后與定制的小型雙頻高動態GPS進行集成，組成影像獲取系統。無人機航空攝影過程中，該GPS設備可高速、動態地觀測并記錄衛星信號，同時記錄航攝相機曝光瞬間快門打開至最大的脈沖時刻，并根據17 h后的快速星歷處理結果獲取攝站點的空間三維坐標，作為后續空三加密的代權觀測值參與平差。

1.1 加裝三軸穩定云臺的量測相機與GPS集成

航空影像質量直接影響到大比例尺航測法成圖精度，因此在航攝過程中，要求相機姿態穩定，內方位元素及光學畸變已知。本文對無人機相機搭載系統進行了設計和研發，集成了小型量測型相機和GPS輔助系統，具體過程如下：

(1) 選用丹麥飛思公司改進的IXU-1000工業相機作為影像獲取裝備，并在設計建立的室內外檢校場，對相機的內方位元素、光學畸變進行了標定。

利用共線條件方程進行定標的公式為

(1)

式中，Δx、Δy為畸變改正參數。考慮徑向畸變、偏心畸變及仿射變形，最終改正模型為

(2)

式中，k1、k2、p1、p2為畸變系數；b1、b2為CCD像元的非正方形和CCD陣列的不垂直性引起的仿射和剪切畸交換系數。

(2) 設計研制了用于搭載小型相機的三軸穩定云臺裝置，實現了相機姿態角的控制，并對相機進行了姿態校正。不同比例尺航測成圖對攝影時的傾斜俯仰和側滾姿態均有不同限制，無人機大比例尺航測時航高多處于500～1500 m，氣流變化大，飛行姿態極易受氣流影響，造成航傾角過大，從而影響成圖精度。因此，為保持相機在航飛過程中姿態穩定，本文自主研制了一種三軸穩定云臺裝置(如圖1所示)，能夠實時控制航空攝影時無人機的飛行姿態，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規范要求。

圖1 三軸穩定云臺

(3) 在穩定云臺上集成了重量不足300 g的小型雙頻GPS接收機，用于記錄GPS衛星信號，總體集成系統如圖2所示。

圖2 無人機搭載系統集成

1.2 event mark時刻的準確性標定

event mark時刻的準確性影響到攝站點坐標的精度，因此必須對相機脈沖信號進行標定，使其處于相機快門打開與關閉的中間時刻。本系統機載GPS選用了高動態量測型航空天線，采樣頻率設置為2 Hz，相機曝光時，當快門開啟到最大時向GPS發送一個高電平脈沖(event mark)，并記錄到GPS文件，通過該時刻可內插出所有攝站點的空間位置。

1.3 無人機載GPS數據處理

考慮到GPS在飛行過程中連續觀測存在漂移量，平差時需要對GPS數據進行逐航線改正，以消除GPS連續觀測累計的漂移誤差。本文將下載后的機載GPS數據聯合同一時段的快速星歷進行平差解算，利用地面控制點數據，并結合每張相片曝光時刻內插出每張像片的3個直線元素。

2 無人機大比例測圖及精度評價

本文利用自主研發的無人機航測系統完成了固始縣城規劃區39 km2的1∶500地形圖測繪任務，并對成圖精度進行了分析與評價。固始縣位于河南省中東部，屬平原地區，平均海拔50 m，測繪范圍覆蓋部分建成區和城鄉結合部，包括了大比例尺地形圖測繪的諸多要素，具有一定的代表性。

2.1 航線布設與測圖

在測區39 km2范圍內設計布設11條航線，地面分辨率為5 cm，其中構架航線布設兩條，地面分辨率設計為6.5 cm，設計的航線布設方案如圖3所示。選擇4個像片控制點、9個檢查點，為檢查和評定空三加密精度，在測區內選擇分布均勻的10個明顯地物點作為平高檢查點。

圖3 航線與構架航線布設方案

2.2 測圖過程

利用全數字攝影測量系統導入空三加密成果，進行地物地貌要素的立體采集，形成調繪工作底圖；外業根據工作底圖進行實地調繪，查缺補漏并進行精度檢測，最終編輯1∶500地形圖。

2.3 成圖精度分析和評價

采取隨機抽樣法抽取4幅圖進行精度檢驗，分別檢查兩幅圖的高程和平面位置精度，每幅圖利用RTK實地采集30個高程點和平面點坐標，分別與地形圖上相應的點進行對比，據此對精度進行分析評價。

檢查點的高程中誤差按下式計算(結果見表1)

(3)

式中：m1為高程中誤差；n為檢查點個數；di為檢測點圖上高程與實測高程的較差。

表1 高程精度統計

檢查點的平面中誤差按下式計算(結果見表2)

(4)

式中，m2為平面位置中誤差；n為檢查點個數；dS為檢測點圖上位置與實測值的較差。

表2 平面位置精度統計

1∶500比例尺地形圖航測成圖規范要求：高程中誤差為±0.2 m，平面位置中誤差為±0.2 m和±0.3 m，城市測量規范的相應規定則分別為±0.15 m和±0.2 m。由表1和表2可以看出，高程和平面中誤差完全滿足相關規范精度要求。實際應用結果表明，利用本文研發的無人機載GPS輔助航攝測圖系統，采用四角布設像控點原則，能滿足1∶500大比例尺地形圖成圖精度要求。

2.4 生產效率對比

將無人機大比例尺航測成圖方法與常規航測成圖方法進行對比，在像控點布設數量、作業天數及作業效率方面具有明顯的優勢，詳見表3。

表3 生產效率對比情況

由表3可知，常規航測成圖法布設像控點300個，而本文方法所需像控點僅為13個(約為常規方法的4%)，作業天數由20 d縮短為3 d，大幅度減少了野外像片控制測量工作量，顯著提高了外業作業效率。

3 結 語

本文采用自主集成的無人機載GPS輔助航攝系統進行1∶500大比例尺地形圖生產，結果表明該系統在大比例尺測圖中能夠滿足國家航測成圖規范及城市測量規范的精度要求，同時顯著提高了生產效率，為我國無人機大比例尺地形圖測繪工作提供了經驗和借鑒。

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The Assembling of Camera System and GPS Carried on UAV for Large Scale Topographical Mapping

DENG Xuefeng1，HE Yahui2，GAO Yu3

(1. Henan Surveying and Mapping Engineering Institute，Zhengzhou 450003, China； 2. Hunan First Surveying and Mapping Institute， Hengyang 421001, China； 3. Hubei Sunrise Photogrammetricair Remote Sensing Technology Co. Ltd.， Wuhan 430070, China)

In this paper, unmanned aerial vehicle (UAV) is used as a low altitude remote sensing platform. On the basis of integration of small light measurement camera with dual frequency high dynamic GPS， a three axis stabilized platform device can stably keep the camera attitude angle of UAV, make digital image shooting can meet the requirements of large scale mapping. The system is successfully applied in the 1∶500 large-scale topographic mapping project. The experimental results show that the accuracy of the system can be well suited to the requirements of the national photogrammetric mapping standards and the urban surveying standards.

UAV aerial survey system；stable tilt table；large scale mapping

鄧學鋒，賀雅輝，高宇.無人機大比例尺航測系統的研制及應用[J].測繪通報，2017(6)：87-89.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0196.

2016-11-28；

2017-02-04

2016年國家重點研發計劃(2016YFC0803103)；河南省高校創新團隊支持計劃項目(14IRTSTHN026)

鄧學鋒(1975—)，男，高級工程師，主要研究方向為測繪地理信息技術與應用。E-mail:15838163672@163.com

P23

A

0494-0911(2017)06-0087-03