隨著目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特別是城鎮(zhèn)化步伐的加速，我國(guó)在城鎮(zhèn)規(guī)劃、建設(shè)、交通、社保、土地、管理和公眾服務(wù)中對(duì)于大比例尺地圖的需求越來(lái)越廣泛，而且對(duì)成圖時(shí)效性的要求越來(lái)越高。
目前，國(guó)內(nèi)利用高分辨率航空遙感影像進(jìn)行測(cè)圖和局部數(shù)據(jù)更新的應(yīng)用已經(jīng)較多，但是卻存在著許多問(wèn)題。一方面，利用大飛機(jī)航測(cè)具有成本高、空管調(diào)度難、起飛場(chǎng)地苛刻等弊端，不適合小面積區(qū)域測(cè)圖；另一方面，雖然小型無(wú)人機(jī)具有成本低、靈活機(jī)動(dòng)、能夠進(jìn)行云下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于搭載的非專業(yè)相機(jī)自重小、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其獲取的數(shù)據(jù)影響精度無(wú)法滿足大比例尺測(cè)圖，特別是復(fù)雜地形區(qū)域的精度要求。
本文針對(duì)復(fù)雜地形區(qū)域的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究，一方面避免了外業(yè)像控點(diǎn)的測(cè)量工序；另一方面提高了在復(fù)雜地形中的精度，滿足了大比例尺精度的要求。
無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理
無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)，也稱為低空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)UAV航攝系統(tǒng)，包括飛行平臺(tái)、航線設(shè)計(jì)和飛行控制系統(tǒng)、GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。
1無(wú)人機(jī)系統(tǒng)
在本次試驗(yàn)中，采用的可拆卸手拋式無(wú)人機(jī)為傳統(tǒng)前置螺旋槳驅(qū)動(dòng)，機(jī)身為EPO泡沫，尺寸為163cm*120cm，全重僅2.7kg，便于發(fā)射和回收。
2航線設(shè)計(jì)和飛控系統(tǒng)
分析兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的特點(diǎn)，在試驗(yàn)區(qū)一，因?yàn)榈貏?shì)開(kāi)闊，因此采取“之”字形航線設(shè)計(jì)；在試驗(yàn)區(qū)二，因地形復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)有高層建筑，因此采取“井”字形的航線設(shè)計(jì)，航線設(shè)計(jì)的航向重疊度為30％，旁向重疊度為80％。在航線設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)地形進(jìn)行粗略匹配，從而可以提高飛行效率。
在航線設(shè)計(jì)好之后，通過(guò)飛行器電臺(tái)，將航線上傳至飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)包括機(jī)載自控系統(tǒng)和地面遙控系統(tǒng)兩部分。在將航線上傳之后，由自控系統(tǒng)根據(jù)航線對(duì)飛機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)飛行器電臺(tái)，將實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)傳輸給地面控制平臺(tái)。地面遙控系統(tǒng)可以在自控系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)飛機(jī)的飛行進(jìn)行控制，從而保證飛行的安全性。
3GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用GPS實(shí)時(shí)差分技術(shù)。除在航飛區(qū)域附近架設(shè)GPS基站之外，在飛機(jī)上同時(shí)裝有GPS接收裝置，通過(guò)電臺(tái)進(jìn)行通信。利用GPS數(shù)據(jù)差分處理器，利用機(jī)載和架設(shè)的GPS信息，能夠?qū)崟r(shí)聯(lián)合結(jié)算出無(wú)人機(jī)的空間坐標(biāo)位置和飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)參數(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)PPK后差分系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控飛行和航片質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)精度。
4數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)后處理采用俄羅斯Agisoft公司的PhotoscanProfessional軟件，無(wú)需設(shè)置初始值，無(wú)需相機(jī)校準(zhǔn)，利用多視圖三維重建技術(shù)能夠生成高分辨率的正射影像和DEM模型。
無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程
1技術(shù)路線
在本次試驗(yàn)過(guò)程中，為了檢測(cè)固定翼無(wú)人機(jī)的精度，選擇了兩片典型試驗(yàn)區(qū)。同時(shí)，選擇明顯地物點(diǎn)作為數(shù)據(jù)精度的檢測(cè)點(diǎn)，并利用RTK進(jìn)行測(cè)量。技術(shù)路線流程如圖3所示。
2測(cè)區(qū)概況
在本次試驗(yàn)中，選擇了兩處典型地貌特征區(qū)域用于精度檢測(cè)。
2.1試驗(yàn)區(qū)一
試驗(yàn)區(qū)一位于神木縣西南(神木縣是陜西省從北往南數(shù)第二個(gè)縣，歸榆林市管轄)，其中心點(diǎn)位置為東經(jīng)110°29′11.48″，北緯38°45′46.08″，南北長(zhǎng)1.17km，東西長(zhǎng)1.08km，總面積約為1.26平方千米。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要為起伏丘陵，還包括光伏電廠(部分)和水庫(kù)，地表植被豐富，如圖４(ａ)所示。
2.2試驗(yàn)區(qū)二
試驗(yàn)區(qū)二位于神木縣南側(cè)新區(qū)神木縣新村建設(shè)管理委員會(huì)附近，試驗(yàn)區(qū)中心點(diǎn)位置為東經(jīng)110°27′50.12″，北緯38°53′38.92″，南北長(zhǎng)1.54km，東西長(zhǎng)0.73km，總面積約為1.1平方千米。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要為建筑物，房屋密集，包括城市廣場(chǎng)和異形體育場(chǎng)館一座，高層建筑和低矮房屋建筑交錯(cuò)布局，地物類型豐富，如圖４(ｂ)所示。
3航攝情況
在航飛過(guò)程中，時(shí)間選擇和天氣環(huán)境對(duì)航飛影響較大。本次航飛天氣晴好，氣溫19℃~32℃，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)無(wú)低云、霧霾，東北風(fēng)，低空風(fēng)速小于3級(jí)。試驗(yàn)區(qū)一航攝時(shí)間窗口為上午9點(diǎn)—11點(diǎn)，試驗(yàn)區(qū)二航攝時(shí)間窗口為下午12點(diǎn)—14點(diǎn)，該時(shí)間窗口太陽(yáng)高度角較大，地物影子短。
4數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)后處理中，使用PhotoScanProfessional軟件。在PhotoScan軟件中導(dǎo)入照片，利用SIFT算子提取每張相片中的特征點(diǎn)并獲取其相對(duì)應(yīng)的Descriptor，利用下載的POS數(shù)據(jù)對(duì)相片進(jìn)行對(duì)齊，利用RANSAC算法對(duì)粗差剔除，消除誤匹配。利用GPS獲取的圖根點(diǎn)坐標(biāo)，利用共線方程計(jì)算出像點(diǎn)物方空間坐標(biāo)，在逐次平差迭代的過(guò)程中，剔除粗差，建立數(shù)字點(diǎn)云。從數(shù)據(jù)導(dǎo)入到生成DEM、DOM等數(shù)字產(chǎn)品其所需時(shí)間約4小時(shí)。
無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺成圖精度分析
1外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)分布
為了驗(yàn)證航拍正射影像精度，在試驗(yàn)區(qū)利用動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量共選取了27個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中試驗(yàn)區(qū)一有16個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分布情況如圖５(ａ)所示，其中7個(gè)點(diǎn)專門(mén)用于高程檢測(cè)，其余9個(gè)點(diǎn)既可用于高程精度檢測(cè)也可用于平面精度檢測(cè)；試驗(yàn)區(qū)二有11個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，如圖５(ｂ)所示，其中1個(gè)專門(mén)用于高程檢測(cè)，其余10個(gè)既可用于高程精度檢測(cè)也可用于平面精度檢測(cè)。
2外業(yè)檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量
在試驗(yàn)區(qū)，選擇較為明顯、易于判斷的地點(diǎn)作為平面檢核點(diǎn)，選擇地面平坦、局部高程變化較小的地點(diǎn)作為高程檢核點(diǎn)。使用試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分布的一個(gè)GPSD級(jí)控制點(diǎn)和一個(gè)GPSE級(jí)控制點(diǎn)，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。為了保證檢核點(diǎn)自身的精度，每個(gè)檢核點(diǎn)進(jìn)行兩次測(cè)量，如果其差值在允許范圍內(nèi)(3cm)則取其平均值作為最終成果，如果大于允許范圍則重新進(jìn)行量測(cè)。
3精度統(tǒng)計(jì)和分析
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)一外業(yè)共測(cè)量平面檢核點(diǎn)9個(gè)，高程檢核點(diǎn)16個(gè)，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度檢測(cè)。DOM精度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，通過(guò)分析可知，在試驗(yàn)區(qū)一DOM平面檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.047m，最大值為0.269m，平均值為0.116m，檢測(cè)點(diǎn)平面中誤差為0.132m，允許中誤差為0.3m。
DEM精度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，通過(guò)分析可知,，在試驗(yàn)區(qū)一DEM高程檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.020m，最大值為0.464m，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為0.186m，允許中誤差為0.2m。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)二外業(yè)共測(cè)量平面檢核點(diǎn)10個(gè)，高程檢核點(diǎn)11個(gè)，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度檢測(cè)。DOM精度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，通過(guò)分析可知,，在試驗(yàn)區(qū)二DOM平面檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.031m，最大值為0.143m，平均值為0.069m，檢測(cè)點(diǎn)平面中誤差為0.0762m，允許中誤差為0.3m。
DEM精度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，通過(guò)分析可知，在試驗(yàn)區(qū)二DEM高程檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.014m，最大值為0.229m，平均值為0.085m，檢測(cè)點(diǎn)高程中誤差為0.102m，允許中誤差為0.2m。
結(jié)論和展望
(1)通過(guò)本次試驗(yàn)結(jié)果可知，該無(wú)人機(jī)在山區(qū)丘陵(試驗(yàn)區(qū)一)和城區(qū)居民地(試驗(yàn)區(qū)二)的復(fù)雜地形應(yīng)用中，其得到的高精度DEM、DOM平面中誤差和高程中誤差均能滿足1∶500大比例尺的測(cè)圖精度。且城區(qū)居民地(試驗(yàn)區(qū)二)的精度高于山區(qū)丘陵(試驗(yàn)區(qū)一)精度，其原因可能是由于試驗(yàn)區(qū)二采用“井”字形航帶設(shè)計(jì)導(dǎo)致，在今后的研究過(guò)程中可以繼續(xù)研究航帶規(guī)劃對(duì)航攝影像精度的影響。
(2)在本次試驗(yàn)中無(wú)需進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)的測(cè)量。在作業(yè)時(shí)只需要利用RTK獲取通信基站的GPS坐標(biāo)作為圖根點(diǎn)便可。相對(duì)于傳統(tǒng)的航攝影像制作過(guò)程，大大提高了生產(chǎn)和工作的效率。
(3)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的發(fā)展日新月異，因此對(duì)于大比例尺地形圖測(cè)繪的時(shí)效性要求越來(lái)越高，更新速度越來(lái)越快。與此同時(shí)，在國(guó)土土地調(diào)查、農(nóng)村確權(quán)發(fā)證、災(zāi)害治理工程和救災(zāi)應(yīng)急測(cè)繪中對(duì)于快速生產(chǎn)出大比例尺地形圖也有強(qiáng)烈需求。該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)因其精度高、生產(chǎn)周期短和外業(yè)測(cè)量依賴性較小等特點(diǎn)，在以上方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。
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