免像控無人機航攝系統在大比例尺地形圖測量中的應用

馬海政,強德霞

(1.甘肅省有色金屬地質勘查局白銀礦產勘查院，甘肅 白銀 730900；2.甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020)

測繪是國民經濟建設的基礎性工作，如何快速、精準地獲取更新現勢基礎數據，提高基礎測繪工作效率，實時獲取空間信息一直是大家關注的問題和面臨的困難和挑戰[1-2]。由于傳統遙感載體平臺無法實時遙測，且獲取影像資料成本高，制作周期長，從而影響了遙感技術在各領域的應用發展[3]。無人機具有作業方式靈活、維護成本低、飛行高度低、獲取影像分辨率高、拍攝范圍廣等優勢，它的出現解決了小范圍低空攝影測量的關鍵問題[4]。但無人機航攝系統也有一定的缺陷和不足，如目前用于測繪領域的無人機航攝系統搭載的都是非量測型數碼相機，基高比小、像幅小、影像畸變大，對影像數據內業處理的精度一定程度上產生影響[2]。無人機航攝系統因飛行高度低受到氣流影響時飛行姿態不穩定，導致影像航向、旁向重疊超差，對立體行高的扭曲和大比例尺成圖精度都會產生影響[3]。

1 無人機航攝系統組成

無人機航攝平臺由無人機飛行平臺、遙感通信傳感器系統、飛控系統、GPS實時動態差分系統和地面站數據處理系統組成[5]。拓普康天狼星Sirius Pro免像控無人機航攝系統飛行航高H和地面分辨率GSD在地面站MAVinci軟件中自動計算，航高隨地形起伏而變，自適應航高，以保證準確的重疊度[6]。將獲取的影像數據和POS數據在MAVinci軟件中進行匹配和相關參數設置并輸出，進行數據后處理，無需相機參數校準，利用多視圖三維重建技術生成高分辨率的產品有DOM影像、DEM模型、密集點云。

2 無人機航攝系統應用實例

2.1 測區概況

為了較好地對該系統航攝成果進行精度驗證，分別對平塬區域和礦山山地區域所得成果進行研究分析。測區A為某通用機場前期地質勘查測量工程，要求成圖1∶500比例尺地形圖。地點位于青海省循化撒拉族自治縣南部約35 km處高臺平塬上，地勢南高北低，內有大片農田和沙棘樹，周邊為溝壑地貌，地表植被較稀疏。測區B為地質找礦勘查測量工程，要求成圖1∶2000比例尺地形圖。地點位于甘肅省瓜州縣南約50 km的某鄉鎮荒漠區域，西北方為高山地，東南方為荒漠平地，中間區域有時令河和沼澤地貌，附有農田和房屋，地物類型豐富。

2.2 航攝技術設計方案

無人機低空攝影測量系統測繪大比例尺地形圖的工作內容主要包括測區野外基準站測設、影像數據獲取和匹配、影像數據后處理和數據成果制作輸出[5]，具體作業流程如圖1所示。

圖1 航攝技術流程

2.3 影像數據獲取

根據測區A和測區B現勢地貌情況，設計航線為多邊形狀，通過影像粗略匹配，自動對任務區進行最佳切割并在后處理中有效合并，提高飛行效率[4]。測區A設置地面采樣距離為3 cm，航高為117 m；測區B設置地面采樣距離為12 cm，航高為466 m。兩者航向重疊為85%，最小航向重疊為75%，旁向重疊為65%，地面采樣距離容許差為30%。

將地面站、無線電臺和飛機進行網絡鏈接配對，通過地面站系統將設計好的航線文件數據發送至飛控系統。無人機落地后，通過地面站系統進行影像數據和POSS數據匹配，檢查影像數據合格后再進行下一架次航攝作業[7]。

2.4 影像數據后處理

加載匹配飛行PMT文件，設置好相關坐標參數數據導入Agisoft PhotoScan Pro軟件中。結合基準站坐標用共線方程計算出像點物方空間坐標，在逐次平差迭代的過程中剔除粗差，選擇無地面控制處理進行全自動化數據后處理[8-9]。最終生成高精度的DOM影像、DEM高程模型和密集點云數據。

利用EPS三維立體測圖軟件對DLG數據采集編輯和圖形制作輸出，同時生成3D立體模型[10-11]。

3 成圖精度分析研究

為了驗證無人機航攝系統正射影像數據精度，需要對獲取的影像數據進行質量檢測[12]。航拍前分別在測區A和測區B航攝范圍內均勻布設了8個和6個測量標靶(1.60 m×1.60 m)作為檢測點，要求成“弓”字形布設在地勢相對平坦的地方或者硬化路面上。

文獻[13]結合實際試驗和應用，發現采用高程二次定向，可以有效地控制高程誤差，從而使最終航測成果滿足航測規范精度要求。利用RTK固定解對上述檢測點分別進行4次測量，點位較差小于2 cm的取其平均值作為最終成果，在立體測圖中選取檢測點作精度比較，見表1—表2。

表1 測區A檢測點精度比較(1∶500) m

表2 測區B檢測點精度比較(1∶2000) m

經過表1和表2中檢測點精度分析，兩個測區的平面和高程精度較高，檢測精度均在規范及設計要求限差內，完全滿足1∶500和1∶2000地形圖成圖要求，符合國家測繪產品標準化和規范化的要求[14-15]。

4 結 語

本文討論了免像控無人機應用在小區域大比例尺地形圖測繪中的一些技術革新。免像控技術的產生可把像控點按航線均勻的分配在空中，在一個測區內只設一個基準站，無人機自帶數據更新率100 HZ的雙頻雙星GNSS RTK,能夠精準地定位每張相片的幾何位置中心和飛機飛行航線，機載高精度POSS信息準確地反映飛機在飛行中的姿態，很大程度上減小了航攝時像片傾角和旋角過大帶來的影像變形，從而得到了高分辨率高精度的正攝影像數據。

通過本文案例工程分析了該無人機航攝系統的特點，詳細介紹了如何測繪1∶500和1∶2000地形圖的具體工作流程和技術應用，并對生成的影像圖和輸出的地形圖精度進行了評定，完全滿足規范精度要求。