無人機航攝測量系統已經成為在基礎測繪、國土資源調查、地質勘測等重要領域的數據采集手段[1]。傳統的無人機航攝系統需要一定數量的像片控制點，這些像片控制點是通過解析空中三角測量的方法來獲得的。而解析空中三角測量所需要的外業控制點是由人員在實地結合地形控制測量的方法得到的。但對于丘陵、山區、森林等一些人員很難進入的地區，其控制點的布設變得尤為困難，從而也大大限制了無人機航攝系統的應用[2]。目前，隨著GPS動態定位技術的廣泛應用以及精密測時系統的快速發展，無人機航攝系統在減少像片控制點以及無控制測圖方面取得了巨大的突破。本文以天狼星無人機航攝系統為基礎，通過其在青島市某區1：500地形圖的應用對免像控航攝系統進行介紹和精度評定。
天狼星(Sirius PRO)無人機航測系統是美國拓普康定位系統公司研發的高精度微型電動固定翼RTK航空測圖系統，其構成大體分為：無人機飛行平臺、飛行控制系統、地面監控系統以及內業數據處理系統，該系統構成如圖1所示。
1.1 飛行平臺
無人機飛行平臺內部載有影像傳感器、自動駕駛模塊和RTK測量模塊。具體技術參數如表1。
1.2 飛行控制系統
無人機的飛控系統用于飛行計劃設計及任務設備管理，由自駕儀、GPS/IMU 慣性導航系統、GPS接收機等組成，可實現無人機的姿態、航高、速度、航向的控制及各個參數的傳輸，方便地面人員實時監控無人機飛行信息[3]。它采用手動、輔助和全自動飛行控制模式，可以有效的使無人機按照預定的飛行路線平穩飛行。
1.3 地面監控系統
地面監控系統包括地面監控軟件和無線遙控器等。地面監控軟件為MAVinci軟件，通過它可以實時監控無人機的飛行高度、航跡、飛行姿態等數據，確保地面監控人員能及時了解無人機的飛行狀況，保證飛行任務的順利完成。另外該套軟件也是航測系統的飛控軟件，用于制定飛行計劃實現自適應地勢起伏。
1.4 內業數據處理軟件
主要軟件為數據后處理軟件Photoscan，是一款基于影像自動生成高質量三維模型的優秀軟件。它通過已知的基準點坐標、無人機獲得的航片影像和POS數據自動完成影像定向、空三加密過程，實現免像控自動拼接處理，從而獲得高精度的DEM、DOM 數據。
無人機低空攝影測量系統搭載的非測量數碼相機的成像模型為小孔模型，物方的任意點的構象都是通過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想的數學基礎，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，a 為A 在影像上的構想，對應的像空間坐標和像空間輔助坐標為 (x，y，-f ) 和(X，Y，Z)。滿足S、A、a 三點共線，像點的像空間輔助坐標和物方點物方空間坐標之間的關系為：
將(1)代入(2)，考慮像主點坐標(x0，y0 )得到的共線方程為式(3)：
式中：x，y 為像點的像平面坐標;x0，y0 ，f 為攝影的內方位元素;式中系數ai，bi，ci (i=1，2，3)為影像的3個外方位角元素組成的9個方向余弦。
在低空攝影測量中將航攝儀固定安裝在無人機上后，機載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常數，故每次曝光瞬間鏡頭的中心點S 的空間位置XS ，YS ，ZS 便可測定出來當作已知值，再根據求解相片攝影時姿態角的輔助設備，這樣相片的6個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量進行區域網聯合平差計算，通過地面上的一個基準點，便可獲得相當精度的地面加密點坐標[4]。
POS 系統(Position and Orientation System)又稱定位定向系統是集DGPS(Differential GPS)技術和慣性導航系統(INS)技術于一體，主要包括GPS信號接收機和慣性測量裝置(IMU)兩部分，亦稱GPS/IMU 集成系統。在已知GPS天線相位中心，IMU以及航攝儀三者的空間位置關系，通過GPS載波相位差分定位獲取航攝儀的空間位置參數以及IMU 獲取無人機側滾角、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和航攝儀的姿態角，經過對系統誤差的檢校，便可直接獲得影像外方位元素，從而實現無像控便可恢復航空攝像的成像過程。
工程應用
為了更好地檢驗無人機免像控航測系統的應用，選擇的區域位于青島市某區。該區域地形以山區和丘陵為主，主要集中在東部和北部，地勢起伏較大，測區面積為15.3km2。本次地形圖成圖比例尺為1∶500，生成圖幅數為425幅。具體的作業流程如圖3。
3.1 航攝設計與外業飛行
航攝設計根據軟件MAVinci瀏覽自動下載帶有高程數據的Google影像為基礎，根據攝影區域地形情況、起飛場地情況以及攝影分辨率要求等因素，使用自帶程序進行自動航線設計。此外，天狼星無人機航攝系統可以在不影響航測精度前提下按照地勢起伏變化進行航線間自適應設計，如圖4。
本次飛行參數為：地面采樣距離0.05m，相對航高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%，每個架次航飛有效面積為0.7km2，航飛時間30min，飛行總架次22個，用時3天。
無人機經過地面檢查，參數設置，基站架設等一系列工作完成后，采用手拋式起飛。在起飛之前，要根據風的方向變化調整無人機起飛方向，一般要求起飛時地面風力小于3級(風速約4m/s)，逆風起飛為最佳;空中飛行的風力小于4級(5.5m/s)以保證航片的重疊度。關注測繪之家微信公眾號，了解更多技術！
無人機飛到指定區域后，飛控系統會根據設定好的飛行路線實行自動駕駛飛行模式，并根據通信裝置往地面監控系統發送實時飛行姿態數據，以便地面監控人員實時監管無人機飛行狀態。每個架次結束時，無人機經過通信電臺向地面監控系統發送POS數據，等到地面監控系統完成數據接收，采用手工遙控的方式對無人機實施人工降落，降落場地盡量選擇在長度大于100m的硬化路面，并且保證視野開闊，同樣采用逆風降落為最佳。
天狼星航測系統采用一鍵式數據處理方式，減少了人工干預[5]。通過無人機獲取的影像資料以及無人機傳輸POS數據生成匹配，輸入基準點坐標和選取坐標系統利用MAVinci軟件完成影像預處理，而后導入后處理軟件。根據攝影測量的基本原理和三維重建技術，后處理軟件Photoscan能夠自動計算出影像攝站點位置和影像姿態，根據以上信息完成像片的內定向、相對定向和絕對定向等[6-8]，只需要設置少量參數便可以生成帶有地理參考的DEM、DOM 和高密度點云數據。
由于采用一鍵式內業處理方式，在內業處理時無需人工操作，節省了大量的人力，內業處理時間與計算機配置有關，本次內業處理時間(包括DEM、DOM、點云數據、影像拼接)總用時為5天。利用以上數據生成DSM，通過EPS軟件進行后續的數據生成。由于不需要像控點的布設和測量，時間節點上得到了充分利用，只需要把第一天的數據傳至數據處理中心，內業處理和DLG的生成便可從第二天開始。本次測量任務共經歷了8天(外業航飛3天，內業數據處理5天和DLG的生成耗時7天)。
航飛前，利用GPS RTK 技術結合全站儀設備，對測區內170個特征點進行了采集(包括92個平面特征點和78個高程點)。平面特征點主要選取較為明顯、易于觀測的點，包括道路夾角、墻體拐角、橋頭和一些無房檐遮擋的房角等;高程檢測點主要選取硬化道路中心點等。通過選取成果數據中的特征點的坐標值與野外RTK實測對應點的坐標進行統計如表2和表3。
在本次精度統計中，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。為了更好地了解數據精度，本次也對誤差區間做了統計見圖5和圖6。
從圖上也可以看出，平面誤差區間在小于0.1m和0.1m-0.2m 之間占了超過80%以上的比例，超過0.2m 的占了12%;高程誤差區間在小于0.15m 的比例達到74%，超過0.15m 的為26%。綜上所述，無論是DEM 和DOM 的精度均未超限，滿足規范要求[9-10]。
無人機航測技術以其卓越的優勢，在基層測繪作業中被越來越多的采用，發揮著日益重要的作用。通過實踐表明，天狼星無人機航測系統省略了像控點的布設和測量，并且內業數據處理也采用了計算機自動完成拼接等關鍵步驟;因此在小區域，復雜的地形環境中相對于傳統低空攝影測量技術，天狼星免像控航測系統大大地提高了工作的效率，縮短了任務周期，降低了野外人員的工作量和強度。在實際工作中我們也看到了無人機的一些缺點：航程小，無人機續航時間短，場地選取條件苛刻。但是天狼星無人機航測系統作為新型的低空攝影測量技術，其高分辨率、高效率、任務周期短、靈活簡便、免像控等特點，在以后的生產建設中仍然發揮著其獨特的技術優勢。
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