天狼星無人機大比例尺測圖精度分析

孟慶鵬，孫　斌，凌　清

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200030)

攝影測量在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史中經(jīng)歷了3個階段，分別為模擬攝影測量階段、解析攝影測量階段和數(shù)字攝影測量階段[1]，如今已經(jīng)全面步入數(shù)字攝影測量時代。在國家開放低空空域、深化低空空域管理改革的背景下[2]，小型化的無人機航空攝影測量開始逐步被測繪、林業(yè)、礦業(yè)、交通、水利、電力等行業(yè)所接納，并應用于大比例尺測圖、地籍測量、智慧城市建設、災害監(jiān)測、應急保障快速測繪、國家基礎測繪等項目。然而，大比例尺數(shù)字測圖要求點位精度高，野外數(shù)據(jù)采集的方法必須準確可靠[3]。拓普康天狼星無人機航測系統(tǒng)作為一種新型的航測技術(shù)，彌補了中低空普通航空大比例尺測圖出現(xiàn)的不足，成為基礎地理信息數(shù)據(jù)獲取的一種新手段。因此，努力提高量測精度和作業(yè)水平，是保證航測大比例尺成圖精度的重要措施[4]。本文通過天狼星無人機進行小范圍實際測圖，并以1∶500大比例尺測圖標準為參考對其測圖精度驗證分析。

1　天狼星無人機航攝系統(tǒng)

天狼星(Sirius PRO)無人機測圖系統(tǒng)是美國拓普康定位系統(tǒng)公司研制的高精度無人機測圖系統(tǒng)，通過高精度的定位定向系統(tǒng)(position and orientation system，POS)記錄高精度姿態(tài)參數(shù)[5]，可大大節(jié)省整個航空攝影加密測圖流暢的工作時間[6]，能顯著提高作業(yè)速度[7]。它配備有從飛行計劃、影像獲取、后處理到數(shù)據(jù)分析的全套軟件，屬于微型電動固定翼RTK航空測圖系統(tǒng)。

1.1　無人機飛行平臺

拓普康天狼星無人機采用了富士XM1相機、APS-C-X-Trans CMOS傳感器，滿足不同的高精度三維城市建模、高清影像航測應用需求；手拋式起飛，在執(zhí)行航測飛行任務和返回著陸過程中始終保持自動駕駛的穩(wěn)定飛行姿態(tài)，抵御不良天氣，保證成像穩(wěn)定并自動化操作。

拓普康天狼星將100 Hz RTK模塊集成到無人機內(nèi)，在無人機航測領域內(nèi)實現(xiàn)了無地面像控的測量方式，利用實時差分數(shù)據(jù)固定解具有厘米級精度的RTK技術(shù)和無人機相結(jié)合，實時獲取曝光點空間位置達到無像控，從而實現(xiàn)無地面控制的高精度、實時攝影測量與遙感[8]，以更便利快捷的方式采集野外數(shù)據(jù)，降低了外業(yè)測量工作強度，改善了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在數(shù)字攝影測量時代，少用地面控制點或無地面像控不但可以減輕野外測量強度，縮短作業(yè)周期，而且可以提高航空攝影測量作業(yè)的自動化強度[9]。

1.2　數(shù)據(jù)通信

天狼星的通信模式與傳統(tǒng)無人機不同，它的遙控器和連接器采用的是一種獨立雙通信的鏈路，若其中一條鏈路出現(xiàn)故障，另外一條鏈路也可以提供完整的控制，這種通信機制實現(xiàn)了雙備份的功能，為安全飛行提供了最有力的保障。

1.3　配套軟件

天狼星標準配套軟件主要包括飛行計劃軟件MAVinci Desktop和影像后處理軟件PhotoScan Pro。利用這兩種主配套軟件，用戶通過一鍵式后處理接口，取得數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM)和點云3種不同類型的生產(chǎn)結(jié)果。不僅如此，用戶還可選擇多種數(shù)據(jù)加工和編輯平臺滿足不同的需求，實現(xiàn)等高線生成、體積量計算、DLG編輯、虛擬測量等不同功能。

2　拓普康天狼星無人機1∶500地形圖施測

2.1　項目測區(qū)概況

測區(qū)位于上海市崇明區(qū)某農(nóng)田附近。測量面積為0.058 km2，測區(qū)大部分為水田，中間交叉鄉(xiāng)村水泥小路，交通條件便捷，地勢起伏平緩，植被主要為水稻、草地和蘆葦，通視條件較好。

2.2　作業(yè)航飛

根據(jù)測區(qū)現(xiàn)狀及天狼星無人機成圖比例尺1∶500 測圖精度驗證分析需求，選擇目標區(qū)域和期望的地面采樣距離后，飛行計劃軟件Desktop自動創(chuàng)建獨立的飛行計劃，飛行相對航高127 m，地面分辨率3 cm，航向重疊率80%，旁向重疊度70%，設計航線手拋式起飛進行航測數(shù)據(jù)采集。

在航飛之前，為檢驗航測精度，在測區(qū)范圍內(nèi)噴繪擺設10處50 cm×50 cm的十字檢測靶標，均勻分布在測區(qū)內(nèi)，用每個檢測靶標中心點作為檢測點。使用測區(qū)附近D級GPS控制網(wǎng)的控制點作為控制基礎，坐標系統(tǒng)為1954北京坐標系，3°帶投影，中央經(jīng)線121.466 667°E，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進行測量。為保證檢測點自身精度，每個檢測點在測量過程中進行3次采集，取其平均值作為最終成果[10]。

2.3　數(shù)據(jù)處理

攝影測量大數(shù)據(jù)的處理是現(xiàn)階段攝影測量迫切需要解決的問題[11]，天狼星無人機對此作了很大的改善。本次項目航飛完成后，通過MAVinci Desktop進行高精度POS數(shù)據(jù)下載和航飛影像的自動匹配；然后導入PhotoScan Pro數(shù)據(jù)處理軟件，它是由俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，可以對任意照片進行處理[12]，無需控制點，無需人工干預[13]，實現(xiàn)航測成果中DOM和DEM產(chǎn)品的自動生成；生產(chǎn)結(jié)果疊加后導入清華三維EPS 3DSurvey中進行“裸眼畫3D”的新型工作模式立體測圖。本文項目測區(qū)航飛時間為9 min，航攝167張影像，軟件處理匹配時間1 h 7 min，校準優(yōu)化時間5 min 46 s，密集點數(shù)量16 012 906個，深度過濾處理時間12 min 45 s，重建測區(qū)DEM，如圖1所示。

圖1　重建DEM

3　精度檢核分析

從本次項目Agisoft PhotoScan+MAVinci插件的處理報告中獲悉航攝日志相關參數(shù)，可以反映相機位置精度。在后處理得到正射影像和DSM后，從正射影像上量測了均勻分布的10個標志檢測點的平面坐標，并在DSM上量測了對應的高程，對天狼星無人機航測平面精度和高程精度進行了檢驗。

3.1　相機位置和誤差估計分析

天狼星無人機的POS系統(tǒng)作為航空攝影測量系統(tǒng)的基準傳感器，集慣性導航技術(shù)和衛(wèi)星導航技術(shù)于一體，可實時獲取載體位置姿態(tài)。POS系統(tǒng)輔助航空攝影測量，獲得高精度定位定向信息[14]，其優(yōu)越性能獲得了測繪領域高度認同。本文通過對相機位置的誤差估計以反映其精度。如圖2所示，可以直觀形象地反映誤差的大小及分布情況，Z誤差由橢圓的顏色表示，X、Y的誤差由橢圓的形狀表示，估計的相機位置用一個黑點標記。

圖2　相機位置和誤差估計解析

表1反映的是圖2整體的平均誤差統(tǒng)計，線元素X、Y的平均位置誤差在2 cm內(nèi)，Z的平均位置誤差小于3 mm，可以滿足1∶500大比例尺測圖的精度要求。

表1　相機位置平均誤差　m

3.2　平面精度

3.2　高程精度

表2　平面數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計結(jié)果　m

表3　高程數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計結(jié)果　m

注：H1指靶標中心點RTK技術(shù)實測高程；H2指DEM檢測點獲取對應靶標中心點高程。

4　結(jié)　語

天狼星無人機作業(yè)成本低，自動化程度高，在采集像片的同時同步完成控制點的布設，取代了傳統(tǒng)的地面控制點，一次飛行采集的控制點平面和高程精度都是RTK厘米級精度，借助RTK技術(shù)可以獲取高精度航空制圖成果，顯著減輕了野外作業(yè)強度，為航測工作提供了更多便利。本文通過對天狼星無人機實際測圖數(shù)據(jù)進行精度分析發(fā)現(xiàn)，其滿足1∶500大比例尺測圖要求，進一步證明了天狼星無人機的實用性和可靠性，值得推廣和應用。

參考文獻：

[1] 劉洋.無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的研究[D].南昌:東華理工大學，2016：1.

[2] 張惠均.無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J].測繪科學，2013，38(3)：100-105.

[3] 楊曉明，段莉.數(shù)字地形圖測繪中的幾個問題探析[J].測繪通報，2004(10)：42-45.

[4] 祝敬張，楊永安，高偉良，等.1∶2000比例尺航測成圖試驗報告[J].測繪學報，1982，11(3)：61-71.

[5] 田金炎，段福洲，袁媛，等.基于圖像匹配的無人機飛行質(zhì)量評估方法[J].測繪科學，2013，38(5)：175-176.

[6] 楊成，白石.POS系統(tǒng)及其在航空攝影中的應用 [J].長江科學院院報，2013，30(2)：76-78.

[7] 楊曉明，袁天奇，王偉，等.山區(qū)快速高精度高程測量方法研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版)，2014，35(2)：65-68.

[8] 李德仁.攝影測量與遙感學的發(fā)展展望[J].武漢大學學報(信息科學版)，2008，33(12)：1212-1214.

[9] 袁修孝.當代航空攝影測量加密的幾種方法[J].武漢大學學報(信息科學版)，2007，32(11)：1002-1006.

[10]李濤.天狼星無人機航攝系統(tǒng)在復雜地形測量中的應用與精度分析[J].測繪通報，2017(12)：146-148.

[11]張祖勛，陶鵬杰.談大數(shù)據(jù)時代的“云控制”攝影測量[J].測繪學報，2017，46(10)：1239-1243.

[12]楊堯蘭.天狼星無人機攝影測量系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應用研究[D].昆明:昆明理工大學，2016：18.

[13]姜丙波，查海林，蘇軍明，等.POS高精度POS在無人機航攝大比例尺測圖中的應用 [J].測繪通報，2017(S1)：30-32.

[14]萬輝.航空攝影測量中機載POS系統(tǒng)的高精度定位定向技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學，2011.

[15]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.數(shù)字地形圖系列和基本要求：GB/T 18315—2001[S].北京:中國標準出版社，2001.

[16]孟現(xiàn)彪，史雅茹，王曉志，等.拓普康天狼星無人機在1∶500地形圖測繪中的應用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2017(5)：90-92.