飛馬F200型固定翼無人機在大比例測圖中的應用

高 清 勇

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局五總隊，貴州 安順 561000)

1 概述

測繪地理信息行業近些年發展較快，新技術新設備連續出現。行業也正逐漸從勞動密集型向科技密集型轉變。大比例尺地形圖含有詳細的地形要素和地理信息，是城市規劃、市政公用事業、土地管理必不可少的基礎資料[1]。無人機產業的迅猛發展為大比例尺地形圖的測繪作業提供了新的思路。作為國際測繪領域一項高新技術，攝影測量技術(photography technique)因其能快速、高效獲取客觀豐富的地面數據信息，近年來在信息化測繪領域進行諸多探索[2]。數字正射影像圖(DOM)具有地形圖的幾何精度和影像特征，具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取數據快捷等優點[3]。DOM模型是對地物表面的模擬，但由于植被覆蓋、房屋遮擋等一些拍攝死角或關聯點不足的地方，全自動建模時會存在容易產生模型扭曲變形的缺點。

2 測繪無人機作業原理及優勢

2.1 基本原理

本文介紹測圖方法是以無人機為平臺，以影像傳感設備為任務載荷，通過從飛機對地球表面所獲取的照片為基礎，根據其幾何特征和物理特征進行量測和分析，從而確定地面上物體的形狀、大小、空間位置及相互關系的一門學科和技術。

2.2 優勢

無人機航空攝影測量相對于大型有人飛機和傳統測繪相比有如下優勢：

1)操作簡單，易學習，上手快；

2)機動性高，普通轎車即可攜帶；

3)適用性好，可在陰天作業；

4)結果準確，和全野外測量相比，無人機測繪能減少工作量，提高成圖效率[4]；

5)整體成本低；

6)成果種類豐富；

7)通達性強，封閉院內可非接觸式測量，降低了作業人員風險。

3 項目實施

3.1 項目概述

以某城市某地區某村1∶500大比例測繪圖項目為例，范圍線內包含兩個村落，村落面積合計為0.7 km2。村內房屋多為帶陽臺混房，屬于該地區較為典型的村莊。測區范圍如圖1所示。

3.2 無人機簡介

本項目選用飛馬F200型固定翼無人機，它是我國自行設計生產的專業測繪無人機，飛機如圖2所示。模塊化設計、手拋起飛、傘降，擁有成熟的飛控系統，可攜帶航測模塊和傾斜模塊兩種方式，并有相關軟件支持作業。相對于旋翼無人機，具有：續航時間長，姿態穩定，安全性高等優點。該無人機部分參數見表1，表2。

表2 飛機主要參數(二)

3.3 項目概述

根據Google earth衛星影像確定了測區位置，在無人機飛控軟件中圈定了作業范圍，選擇分辨率為2 cm，航向重疊率80%，旁向重疊圖70%，飛控軟件自動生成并確定了飛行線路。采用正射相機模塊航空攝影，利用地面基站和飛機的PPK模塊解算厘米級的POS數據；使用Pix4D軟件進行空中三角測量及全自動三維建模；繪圖軟件使用三維科技公司的EPS“三維測圖”模塊。本次POS數據解算可用率達到了99%，有效提高了無人機圖像快速自動拼接的速度和質量。

雖然該飛機的PPK模塊可以滿足無像控成圖，但穩定性不強。本項目使用RTK采集了大量的房角，其中12個點位用于像控點(平面和高程)，其余171個用于平面精度檢查。同時采集了115個地面高程點用于高程精度檢查。

3.4 成果精度分析

依據《城市測量規范》[5]1∶500地形圖的測量精度要求：地物點相對于臨近圖根控制點的點位中誤差不大于0.25 m，地物點間距中誤差不大于0.2 m。高程點相對于臨近圖根點的高程中誤差不大于0.15 m。

在后期處理得到DOM和DSM后，在該城市坐標系統和該城市高程系統下使用EPS軟件的“立體測圖”模塊采集了171個平面點和115個高程點。經過比對，平面精度統計情況摘錄如表3所示，高程精度統計情況摘要如表4所示。

經計算，平面中誤差為0.114 m，高程中誤差為0.073 m。通過對比，本次無人機大比例尺正射影像測圖的平面中誤差和高程中誤差均能滿足相關規范精度要求。

4 精度影響因素分析

表3 平面精度統計部分結果 m

表4 高程精度統計部分結果 m

4.1 相機

無人機的機載相機屬于非量測型。相機鏡頭畸變差會造成相點坐標位移，使鏡頭中心、相點和對應的物點不能滿足中心投影的光學共軛關系，從而降低配準精度[6]。

4.2 天氣

戶外作業，霧天、大風等天氣因素對無人機的飛行和成像效果影響很大。能見度差或光線不強都會造成影像模糊，使DOM上的地物角點不易分辨，圖3所示為弱光線對判別的影響。城區還應考慮霧霾影響；大風會造成無人機的姿態不穩定，造成重疊度減少甚至出現航飛漏洞。準確的預測天氣有助于設計出更完善的飛行計劃。

4.3 分辨率

對于特定的無人機，分辨率和航高成反方向相關。無人機低空航空攝影的分辨率優勢實際上是一把雙刃劍，分辨率與數據獲取效率成反比，獲取高分辨率是在犧牲效率的條件下實現的，因此在滿足設計需要時應仔細權衡飛行高度的設置，不可一味的追求高分辨率。通過多次飛行分析，飛馬F200無人機正射模塊在分辨率優于3 cm時可滿足1∶500比例尺成圖精度，在5 cm分辨率時大部分情況下可滿足成圖要求，但可靠性存在一定疑問。更低的分辨率基本無法滿足1∶500比例尺成圖要求。

4.4 像控點

像控點的布設好壞對后期成圖起著關鍵作用，免像控經過多次試驗，穩定性存在一定問題。經多次處理測試，得出每架次至少布設5個像控點，像控點間距應控制在200 m以內的結論。若遇到地形起伏大等復雜地區，應加密像控點數量。

4.5 重疊率

重疊率是提高計算機自動拼接質量的重要保障，非量測相機偏離中心點的影像畸變大，重疊率提高可以增加相片的連接點，有效規避畸變影響。航向重疊率對測繪效率不造成影響。經測試驗證，旁向重疊率超過70%即可滿足無人機航測要求[7]。

5 結語

以某城市某地區某村兩個村莊的1∶500大比例尺地形圖正射影像測繪項目為切入點，結合了其他幾次航飛所獲得的經驗，對無人機測繪的效果進行了部分歸納總結，試驗證明成果精度達到了大比例尺地形圖的要求。為進一步利用輕小型固定翼無人機應用于大比例尺地形圖測繪項目做了有益嘗試。因為無人機自身飛行載荷和效率與常規航空攝影測量相比還有一定的差距。但其較高的靈活性和低成本性可以作為常規航空攝影測量的有效補充。可以預見，隨著技術的發展，軟件的進步，無人機成本的降低，無人機攝影測量技術在測繪地理信息領域應用必將更加廣泛[8]。