以無人機作為低空遙感平臺，將選擇的輕小型量測相機與定制的小型雙頻高動態(tài)GPS進行搭載集成，并自主研制了一種三軸穩(wěn)定云臺裝置，可保持無人機航拍時相機姿態(tài)的穩(wěn)定，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規(guī)范要求，將該系統(tǒng)應用于1∶500大比例尺地形圖測繪項目，結(jié)果表明該系統(tǒng)的成圖精度完全可以滿足國家航測內(nèi)業(yè)成圖規(guī)范及城市測量規(guī)范要求。
目前多數(shù)無人機由于體型小、載荷有限，多搭載輕小型非量測普通相機作為影像獲取裝備，而用于定位定姿等的輔助設備通常重量和體積較大，難以集成于無人機低空遙感平臺上，限制了無人機航空攝影測量在大比例尺(如1∶500)測圖中的應用。此外，由于非量測相機的內(nèi)方位元素和鏡頭畸變系數(shù)未知，光學系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得獲取的航空影像難以滿足大比例尺測圖的精度要求。盡管無人機載GPS輔助系統(tǒng)在我國西部中小比例尺地形圖測繪中得到了廣泛應用，但對于成果精度需求較高的項目，如生產(chǎn)1∶500—1∶1000大比例尺地形圖，仍難以滿足成圖精度要求，因此，研制適用于大比例尺地形圖測繪的無人機搭載平臺，具有成本低、易推廣等特點，以及重要的實際應用價值。
時間延遲積分(TDI)技術(shù)可大幅度提升航空影像的幾何分辨率，為無人機低空攝影測制大比例尺地形圖提供了良好的數(shù)據(jù)支持，而GPS硬件與低空攝影系統(tǒng)的集成也為無人機大比例尺航測系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)支撐。本文利用時間延遲積分(TDI)技術(shù)和GPS輔助系統(tǒng)，自主研制了相機穩(wěn)定云臺裝置，并與無人機載GPS輔助航測系統(tǒng)進行集成，形成了無人機大比例尺航測系統(tǒng)，在“數(shù)字固始地理空間框架建設”項目中進行了1∶500地形圖測繪。結(jié)果表明該系統(tǒng)在航攝過程中內(nèi)方位元素表現(xiàn)穩(wěn)定，獲得的航攝影像質(zhì)量高，成圖精度滿足國家相關(guān)規(guī)范要求，并大量減少了外業(yè)工作量，顯著提高了生產(chǎn)效率。
1、加裝云臺穩(wěn)定裝置的無人機載GPS輔助航測系統(tǒng)
為克服無人機載荷小、無法搭載大型量測型相機等問題，使之滿足大比例尺航測需求，本文選用輕小型量測型相機，并研制了能夠保持航飛過程中相機姿態(tài)角穩(wěn)定的三軸穩(wěn)定云臺裝置，然后與定制的小型雙頻高動態(tài)GPS進行集成，組成影像獲取系統(tǒng)。無人機航空攝影過程中，該GPS設備可高速、動態(tài)地觀測并記錄衛(wèi)星信號，同時記錄航攝相機曝光瞬間快門打開至最大的脈沖時刻，并根據(jù)17h后的快速星歷處理結(jié)果獲取攝站點的空間三維坐標?作為后續(xù)空三加密的代權(quán)觀測值參與平差。
1.1加裝三軸穩(wěn)定云臺的量測相機與GPS集成
航空影像質(zhì)量直接影響到大比例尺航測法成圖精度，因此在航攝過程中，要求相機姿態(tài)穩(wěn)定，內(nèi)方位元素及光學畸變已知。本文對無人機相機搭載系統(tǒng)進行了設計和研發(fā)，集成了小型量測型相機和GPS輔助系統(tǒng)?具體過程如下:
(1)選用丹麥飛思公司改進的IXU-1000工業(yè)相機作為影像獲取裝備，并在設計建立的室內(nèi)外檢校場，對相機的內(nèi)方位元素、光學畸變進行了標定，利用共線條件方程進行定標的公式為：
式中，Δx、Δy為畸變改正參數(shù)，考慮徑向畸變、偏心畸變及仿射變形，最終改正模型為：
式中，k1、k2、p1、p2為畸變系數(shù)，b1、b2為CCD像元的非正方形和CCD陣列的不垂直性引起的仿射和剪切畸交換系數(shù)。
(2)設計研制了用于搭載小型相機的三軸穩(wěn)定云臺裝置，實現(xiàn)了相機姿態(tài)角的控制，并對相機進行了姿態(tài)校正。不同比例尺航測成圖對攝影時的傾斜俯仰和側(cè)滾姿態(tài)均有不同限制，無人機大比例尺航測時航高多處于500~1500m，氣流變化大，飛行姿態(tài)極易受氣流影響，造成航傾角過大，從而影響成圖精度，因此，為保持相機在航飛過程中姿態(tài)穩(wěn)定，本文自主研制了一種三軸穩(wěn)定云臺裝置(如圖1所示)，能夠?qū)崟r控制航空攝影時無人機的飛行姿態(tài)，使獲得的航空影像滿足大比例尺測圖的規(guī)范要求。
圖1三軸穩(wěn)定云臺
(3)在穩(wěn)定云臺上集成了重量不足300g的小型雙頻GPS接收機，用于記錄GPS衛(wèi)星信號，總體集成系統(tǒng)如圖2所示。
1.2eventmark時刻的準確性標定
eventmark時刻的準確性影響到攝站點坐標的精度，因此必須對相機脈沖信號進行標定，使其處于相機快門打開與關(guān)閉的中間時刻。本系統(tǒng)機載GPS選用了高動態(tài)量測型航空天線，采樣頻率設置為2Hz，相機曝光時，當快門開啟到最大時向GPS發(fā)送一個高電平脈沖(eventmark)，并記錄到GPS文件，通過該時刻可內(nèi)插出所有攝站點的空間位置。
1.3無人機載GPS數(shù)據(jù)處理
考慮到GPS在飛行過程中連續(xù)觀測存在漂移量，平差時需要對GPS數(shù)據(jù)進行逐航線改正，以消除GPS連續(xù)觀測累計的漂移誤差。本文將下載后的機載GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合同一時段的快速星歷進行平差解算，利用地面控制點數(shù)據(jù)，并結(jié)合每張相片曝光時刻內(nèi)插出每張像片的3個直線元素。
2、無人機大比例測圖及精度評價
本文利用自主研發(fā)的無人機航測系統(tǒng)完成了固始縣城規(guī)劃區(qū)39km2的1∶500地形圖測繪任務，并對成圖精度進行了分析與評價，固始縣位于河南省中東部，屬平原地區(qū)，平均海拔50m，測繪范圍覆蓋部分建成區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部，包括了大比例尺地形圖測繪的諸多要素，具有一定的代表性。
2.1航線布設與測圖
在測區(qū)39km2范圍內(nèi)設計布設11條航線?地面分辨率為5cm，其中構(gòu)架航線布設兩條，地面分辨率設計為6.5cm，設計的航線布設方案如圖3所示，選擇4個像片控制點、9個檢查點?為檢查和評定空三加密精度，在測區(qū)內(nèi)選擇分布均勻的10個明顯地物點作為平高檢查點。
圖3航線與構(gòu)架航線布設方案
2.2測圖過程
利用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)導入空三加密成果，進行地物地貌要素的立體采集，形成調(diào)繪工作底圖，外業(yè)根據(jù)工作底圖進行實地調(diào)繪，查缺補漏并進行精度檢測，最終編輯1∶500地形圖。
2.3成圖精度分析和評價
采取隨機抽樣法抽取4幅圖進行精度檢驗，分別檢查兩幅圖的高程和平面位置精度，每幅圖利用RTK實地采集30個高程點和平面點坐標，分別與地形圖上相應的點進行對比，據(jù)此對精度進行分析評價，檢查點的高程中誤差按下式計算(結(jié)果見表1)
式中，m1為高程中誤差，n為檢查點個數(shù)，di為檢測點圖上高程與實測高程的較差。
表1高程精度統(tǒng)計
檢查點的平面中誤差按下式計算(結(jié)果見表2)
式中，m2為平面位置中誤差，n為檢查點個數(shù)，ds為檢測點圖上位置與實測值的較差。
表2平面位置精度統(tǒng)計
1∶500比例尺地形圖航測成圖規(guī)范要求:高程中誤差為±0.2m，平面位置中誤差為±0.2m和±0.3m，城市測量規(guī)范的相應規(guī)定則分別為±0.15m和±0.2m，由表1和表2可以看出，高程和平面中誤差完全滿足相關(guān)規(guī)范精度要求，實際應用結(jié)果表明，利用本文研發(fā)的無人機載GPS輔助航攝測圖系統(tǒng)，采用四角布設像控點原則，能滿足1∶500大比例尺地形圖成圖精度要求。
2.4生產(chǎn)效率對比
將無人機大比例尺航測成圖方法與常規(guī)航測成圖方法進行對比，在像控點布設數(shù)量、作業(yè)天數(shù)及作業(yè)效率方面具有明顯的優(yōu)勢，詳見表3，
表3生產(chǎn)效率對比情況
由表3可知，常規(guī)航測成圖法布設像控點300個，而本文方法所需像控點僅為13個(約為常規(guī)方法的4%)，作業(yè)天數(shù)由20d縮短為3d，大幅度減少了野外像片控制測量工作量，顯著提高了外業(yè)作業(yè)效率。
3、結(jié)語
本文采用自主集成的無人機載GPS輔助航攝系統(tǒng)進行1∶500大比例尺地形圖生產(chǎn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)在大比例尺測圖中能夠滿足國家航測成圖規(guī)范及城市測量規(guī)范的精度要求，同時顯著提高了生產(chǎn)效率，為我國無人機大比例尺地形圖測繪工作提供了經(jīng)驗和借鑒。
文章來源：勘測聯(lián)合網(wǎng)
