無(wú)人機(jī)航攝測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成為在基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土資源調(diào)查、地質(zhì)勘測(cè)等重要領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集手段[1]。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)需要一定數(shù)量的像片控制點(diǎn)，這些像片控制點(diǎn)是通過(guò)解析空中三角測(cè)量的方法來(lái)獲得的。而解析空中三角測(cè)量所需要的外業(yè)控制點(diǎn)是由人員在實(shí)地結(jié)合地形控制測(cè)量的方法得到的。但對(duì)于丘陵、山區(qū)、森林等一些人員很難進(jìn)入的地區(qū)，其控制點(diǎn)的布設(shè)變得尤為困難，從而也大大限制了無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的應(yīng)用[2]。目前，隨著GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及精密測(cè)時(shí)系統(tǒng)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在減少像片控制點(diǎn)以及無(wú)控制測(cè)圖方面取得了巨大的突破。本文以天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過(guò)其在青島市某區(qū)1：500地形圖的應(yīng)用對(duì)免像控航攝系統(tǒng)進(jìn)行介紹和精度評(píng)定。
無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)簡(jiǎn)介
天狼星(Sirius PRO)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)是美國(guó)拓普康定位系統(tǒng)公司研發(fā)的高精度微型電動(dòng)固定翼RTK航空測(cè)圖系統(tǒng)，其構(gòu)成大體分為：無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
圖1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的構(gòu)成
1.1 飛行平臺(tái)
無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)內(nèi)部載有影像傳感器、自動(dòng)駕駛模塊和RTK測(cè)量模塊。具體技術(shù)參數(shù)如表1。
1.2 飛行控制系統(tǒng)
無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)用于飛行計(jì)劃設(shè)計(jì)及任務(wù)設(shè)備管理，由自駕儀、GPS/IMU 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS接收機(jī)等組成，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、航高、速度、航向的控制及各個(gè)參數(shù)的傳輸，方便地面人員實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行信息[3]。它采用手動(dòng)、輔助和全自動(dòng)飛行控制模式，可以有效的使無(wú)人機(jī)按照預(yù)定的飛行路線平穩(wěn)飛行。
1.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)
地面監(jiān)控系統(tǒng)包括地面監(jiān)控軟件和無(wú)線遙控器等。地面監(jiān)控軟件為MAVinci軟件，通過(guò)它可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行高度、航跡、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，確保地面監(jiān)控人員能及時(shí)了解無(wú)人機(jī)的飛行狀況，保證飛行任務(wù)的順利完成。另外該套軟件也是航測(cè)系統(tǒng)的飛控軟件，用于制定飛行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地勢(shì)起伏。
1.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件
主要軟件為數(shù)據(jù)后處理軟件Photoscan，是一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的優(yōu)秀軟件。它通過(guò)已知的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)、無(wú)人機(jī)獲得的航片影像和POS數(shù)據(jù)自動(dòng)完成影像定向、空三加密過(guò)程，實(shí)現(xiàn)免像控自動(dòng)拼接處理，從而獲得高精度的DEM、DOM 數(shù)據(jù)。
無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)搭載的非測(cè)量數(shù)碼相機(jī)的成像模型為小孔模型，物方的任意點(diǎn)的構(gòu)象都是通過(guò)中心投影的方式成像在像平面上，而共線條件是中心投影構(gòu)想的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如圖2所示。
如圖所示，S(XS，YS，ZS ) 為攝影中心，A(XA，YA，ZA) 為物方任意一點(diǎn)，a 為A 在影像上的構(gòu)想，對(duì)應(yīng)的像空間坐標(biāo)和像空間輔助坐標(biāo)為 (x，y，-f ) 和(X，Y，Z)。滿足S、A、a 三點(diǎn)共線，像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)和物方點(diǎn)物方空間坐標(biāo)之間的關(guān)系為：
結(jié)合像空間坐標(biāo)和像空間輔助坐標(biāo)關(guān)系：
將(1)代入(2)，考慮像主點(diǎn)坐標(biāo)(x0，y0 )得到的共線方程為式(3)：
式中：x，y 為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo);x0，y0 ，f 為攝影的內(nèi)方位元素;式中系數(shù)ai，bi，ci (i=1，2，3)為影像的3個(gè)外方位角元素組成的9個(gè)方向余弦。
在低空攝影測(cè)量中將航攝儀固定安裝在無(wú)人機(jī)上后，機(jī)載GPS接收天線的相位中心位置與航攝儀投影中心的偏心矢量為一個(gè)常數(shù)，故每次曝光瞬間鏡頭的中心點(diǎn)S 的空間位置XS ，YS ，ZS 便可測(cè)定出來(lái)當(dāng)作已知值，再根據(jù)求解相片攝影時(shí)姿態(tài)角的輔助設(shè)備，這樣相片的6個(gè)外方位元素便可以得到。將外方位元素引入到解析空中三角測(cè)量進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差計(jì)算，通過(guò)地面上的一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，便可獲得相當(dāng)精度的地面加密點(diǎn)坐標(biāo)[4]。
POS 系統(tǒng)(Position and Orientation System)又稱定位定向系統(tǒng)是集DGPS(Differential GPS)技術(shù)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)技術(shù)于一體，主要包括GPS信號(hào)接收機(jī)和慣性測(cè)量裝置(IMU)兩部分，亦稱GPS/IMU 集成系統(tǒng)。在已知GPS天線相位中心，IMU以及航攝儀三者的空間位置關(guān)系，通過(guò)GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的空間位置參數(shù)以及IMU 獲取無(wú)人機(jī)側(cè)滾角、俯仰角和航偏角，獲取航空影像曝光瞬間攝站三維空間坐標(biāo)和航攝儀的姿態(tài)角，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)誤差的檢校，便可直接獲得影像外方位元素，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)像控便可恢復(fù)航空攝像的成像過(guò)程。
工程應(yīng)用
為了更好地檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)免像控航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，選擇的區(qū)域位于青島市某區(qū)。該區(qū)域地形以山區(qū)和丘陵為主，主要集中在東部和北部，地勢(shì)起伏較大，測(cè)區(qū)面積為15.3km2。本次地形圖成圖比例尺為1∶500，生成圖幅數(shù)為425幅。具體的作業(yè)流程如圖3。
圖3 無(wú)人機(jī)免像控測(cè)量流程
3.1 航攝設(shè)計(jì)與外業(yè)飛行
航攝設(shè)計(jì)根據(jù)軟件MAVinci瀏覽自動(dòng)下載帶有高程數(shù)據(jù)的Google影像為基礎(chǔ)，根據(jù)攝影區(qū)域地形情況、起飛場(chǎng)地情況以及攝影分辨率要求等因素，使用自帶程序進(jìn)行自動(dòng)航線設(shè)計(jì)。此外，天狼星無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)可以在不影響航測(cè)精度前提下按照地勢(shì)起伏變化進(jìn)行航線間自適應(yīng)設(shè)計(jì)，如圖4。
圖4 航線間自適應(yīng)設(shè)計(jì)
本次飛行參數(shù)為：地面采樣距離0.05m，相對(duì)航高186m;航向重疊80%，航向最少不小于75%，旁向重疊65%，旁向最少不小于40%，每個(gè)架次航飛有效面積為0.7km2，航飛時(shí)間30min，飛行總架次22個(gè)，用時(shí)3天。
無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)地面檢查，參數(shù)設(shè)置，基站架設(shè)等一系列工作完成后，采用手拋式起飛。在起飛之前，要根據(jù)風(fēng)的方向變化調(diào)整無(wú)人機(jī)起飛方向，一般要求起飛時(shí)地面風(fēng)力小于3級(jí)(風(fēng)速約4m/s)，逆風(fēng)起飛為最佳;空中飛行的風(fēng)力小于4級(jí)(5.5m/s)以保證航片的重疊度。關(guān)注測(cè)繪之家微信公眾號(hào)，了解更多技術(shù)！
無(wú)人機(jī)飛到指定區(qū)域后，飛控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定好的飛行路線實(shí)行自動(dòng)駕駛飛行模式，并根據(jù)通信裝置往地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，以便地面監(jiān)控人員實(shí)時(shí)監(jiān)管無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)。每個(gè)架次結(jié)束時(shí)，無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)通信電臺(tái)向地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送POS數(shù)據(jù)，等到地面監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)接收，采用手工遙控的方式對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施人工降落，降落場(chǎng)地盡量選擇在長(zhǎng)度大于100m的硬化路面，并且保證視野開闊，同樣采用逆風(fēng)降落為最佳。
3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
天狼星航測(cè)系統(tǒng)采用一鍵式數(shù)據(jù)處理方式，減少了人工干預(yù)[5]。通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取的影像資料以及無(wú)人機(jī)傳輸POS數(shù)據(jù)生成匹配，輸入基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)和選取坐標(biāo)系統(tǒng)利用MAVinci軟件完成影像預(yù)處理，而后導(dǎo)入后處理軟件。根據(jù)攝影測(cè)量的基本原理和三維重建技術(shù)，后處理軟件Photoscan能夠自動(dòng)計(jì)算出影像攝站點(diǎn)位置和影像姿態(tài)，根據(jù)以上信息完成像片的內(nèi)定向、相對(duì)定向和絕對(duì)定向等[6-8]，只需要設(shè)置少量參數(shù)便可以生成帶有地理參考的DEM、DOM 和高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
由于采用一鍵式內(nèi)業(yè)處理方式，在內(nèi)業(yè)處理時(shí)無(wú)需人工操作，節(jié)省了大量的人力，內(nèi)業(yè)處理時(shí)間與計(jì)算機(jī)配置有關(guān)，本次內(nèi)業(yè)處理時(shí)間(包括DEM、DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像拼接)總用時(shí)為5天。利用以上數(shù)據(jù)生成DSM，通過(guò)EPS軟件進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)生成。由于不需要像控點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量，時(shí)間節(jié)點(diǎn)上得到了充分利用，只需要把第一天的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)處理中心，內(nèi)業(yè)處理和DLG的生成便可從第二天開始。本次測(cè)量任務(wù)共經(jīng)歷了8天(外業(yè)航飛3天，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理5天和DLG的生成耗時(shí)7天)。
航飛前，利用GPS RTK 技術(shù)結(jié)合全站儀設(shè)備，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)170個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行了采集(包括92個(gè)平面特征點(diǎn)和78個(gè)高程點(diǎn))。平面特征點(diǎn)主要選取較為明顯、易于觀測(cè)的點(diǎn)，包括道路夾角、墻體拐角、橋頭和一些無(wú)房檐遮擋的房角等;高程檢測(cè)點(diǎn)主要選取硬化道路中心點(diǎn)等。通過(guò)選取成果數(shù)據(jù)中的特征點(diǎn)的坐標(biāo)值與野外RTK實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表2和表3。
在本次精度統(tǒng)計(jì)中，平面位置誤差最大為0.331m，最小為0.032m，中誤差為0.141;高程誤差最大為0.334m，最小為-0.001m，中誤差0.135m。為了更好地了解數(shù)據(jù)精度，本次也對(duì)誤差區(qū)間做了統(tǒng)計(jì)見圖5和圖6。
圖5 平面精度區(qū)間統(tǒng)計(jì)圖
圖6 高程誤差區(qū)間統(tǒng)計(jì)圖
從圖上也可以看出，平面誤差區(qū)間在小于0.1m和0.1m-0.2m 之間占了超過(guò)80%以上的比例，超過(guò)0.2m 的占了12%;高程誤差區(qū)間在小于0.15m 的比例達(dá)到74%，超過(guò)0.15m 的為26%。綜上所述，無(wú)論是DEM 和DOM 的精度均未超限，滿足規(guī)范要求[9-10]。
無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)以其卓越的優(yōu)勢(shì)，在基層測(cè)繪作業(yè)中被越來(lái)越多的采用，發(fā)揮著日益重要的作用。通過(guò)實(shí)踐表明，天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)省略了像控點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量，并且內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成拼接等關(guān)鍵步驟;因此在小區(qū)域，復(fù)雜的地形環(huán)境中相對(duì)于傳統(tǒng)低空攝影測(cè)量技術(shù)，天狼星免像控航測(cè)系統(tǒng)大大地提高了工作的效率，縮短了任務(wù)周期，降低了野外人員的工作量和強(qiáng)度。在實(shí)際工作中我們也看到了無(wú)人機(jī)的一些缺點(diǎn)：航程小，無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間短，場(chǎng)地選取條件苛刻。但是天狼星無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)作為新型的低空攝影測(cè)量技術(shù)，其高分辨率、高效率、任務(wù)周期短、靈活簡(jiǎn)便、免像控等特點(diǎn)，在以后的生產(chǎn)建設(shè)中仍然發(fā)揮著其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
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