無人機(jī)航攝系統(tǒng)在復(fù)雜地形應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)

周 磊，梁 爽，李海泉，南竣祥

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊(duì),陜西 西安 710054)

無人機(jī)航攝系統(tǒng)在復(fù)雜地形應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)

周 磊，梁 爽，李海泉，南竣祥

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊(duì),陜西 西安 710054)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國對于大比例尺地形圖的需求越來越高，傳統(tǒng)航測技術(shù)在生產(chǎn)效率和精度上都無法滿足要求。在本次試驗(yàn)中，通過研究GPS實(shí)時(shí)動態(tài)差分技術(shù)和數(shù)據(jù)后處理等關(guān)鍵技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)精度。實(shí)現(xiàn)了固定翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)在山區(qū)丘陵和城區(qū)居民地兩種復(fù)雜地形的1∶500大比例尺DOM和DEM的制作，通過精度檢查表明，其精度完全滿足1∶500大比例尺DOM和DEM的要求。同時(shí)擺脫了傳統(tǒng)航攝影像制作時(shí)需要外業(yè)像控測量的作業(yè)模式，大大提高了生產(chǎn)效率。

無人機(jī)；GPS動態(tài)實(shí)時(shí)差分；DEM；DOM

隨著目前我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，特別是城鎮(zhèn)化步伐的加速，我國在城鎮(zhèn)規(guī)劃、建設(shè)、交通、社保、土地、管理和公眾服務(wù)中對于大比例尺地圖的需求越來越廣泛，而且對成圖時(shí)效性的要求越來越高。

目前，國內(nèi)利用高分辨率航空遙感影像進(jìn)行測圖和局部數(shù)據(jù)更新的應(yīng)用已經(jīng)較多，但是卻存在著許多問題。一方面，利用大飛機(jī)航測具有成本高、空管調(diào)度難、起飛場地苛刻等弊端，不適合小面積區(qū)域測圖；另一方面，雖然小型無人機(jī)具有成本低、靈活機(jī)動、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)影響精度無法滿足大比例尺測圖，特別是復(fù)雜地形區(qū)域的精度要求。

本文針對復(fù)雜地形區(qū)域的特點(diǎn)，通過對無人機(jī)航測系統(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。

1 無人機(jī)航攝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

無人機(jī)航攝系統(tǒng)，也稱為低空無人機(jī)系統(tǒng)UAV(unmanned aerial vehicle)航攝系統(tǒng)，包括飛行平臺、航線設(shè)計(jì)和飛行控制系統(tǒng)、GPS實(shí)時(shí)動態(tài)差分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)

在本次試驗(yàn)中，采用的可拆卸手拋式無人機(jī)為傳統(tǒng)前置螺旋槳驅(qū)動，機(jī)身為EPO泡沫，尺寸為163 cm×120 cm，全重僅2.7 kg，便于發(fā)射和回收，如圖1所示。

1.2 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)榈貏蓍_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)，對地形進(jìn)行粗略匹配，從而可以提高飛行效率。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)

圖2 試驗(yàn)區(qū)航線規(guī)劃

在航線設(shè)計(jì)好之后，通過飛行器電臺，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)航線對飛機(jī)飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)通過飛行器電臺，將實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)傳輸給地面控制平臺。地面遙控系統(tǒng)可以在自控系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，實(shí)時(shí)對飛機(jī)的飛行進(jìn)行控制，從而保證飛行的安全性。

1.3 GPS實(shí)時(shí)動態(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，通過電臺進(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。

1.4 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Photoscan Professional軟件，無需設(shè)置初始值，無需相機(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。

2 無人機(jī)航攝系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)施過程

2.1 技術(shù)路線

在本次試驗(yàn)過程中，為了檢測固定翼無人機(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)精度的檢測點(diǎn)，并利用RTK進(jìn)行測量。技術(shù)路線流程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)試驗(yàn)技術(shù)路線

2.2 測區(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。

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)一

試驗(yàn)區(qū)一位于神木縣西南，其中心點(diǎn)位置為東經(jīng)110°29′11.48″，北緯38°45′46.08″，南北長1.17 km，東西長1.08 km，總面積約為1.26 km2，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，地表植被豐富，如圖4(a)所示。

2.2.2 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1.54 km，東西長0.73 km，總面積約為1.1 km2。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要為建筑物，房屋密集，包括城市廣場和異形體育場館一座，高層建筑和低矮房屋建筑交錯布局，地物類型豐富，如圖4(b)所示。

圖4 試驗(yàn)區(qū)位置及范圍

2.3 航攝情況

在航飛過程中，時(shí)間選擇和天氣環(huán)境對航飛影響較大。本次航飛天氣晴好，氣溫19℃～32℃，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)無低云、霧霾，東北風(fēng)，低空風(fēng)速小于3級。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)間窗口太陽高度角較大，地物影子短。

2.4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)后處理中，使用Agisoft公司提供的PhototScan Professional(64 bit)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)并獲取其相對應(yīng)的Descriptor。利用下載的POS數(shù)據(jù)對相片進(jìn)行對齊，利用RANSAC算法對粗差剔除，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 h。

3 無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺成圖精度分析

3.1 外業(yè)檢測點(diǎn)分布

為了驗(yàn)證航拍正射影像精度，在試驗(yàn)區(qū)利用動態(tài)RTK測量共選取了27個(gè)檢測點(diǎn)，其中試驗(yàn)區(qū)一有16個(gè)檢測點(diǎn)，分布情況如圖5(a)所示，其中7個(gè)點(diǎn)專門用于高程檢測，其余9個(gè)點(diǎn)既可用于高程精度檢測也可用于平面精度檢測；試驗(yàn)區(qū)二有11個(gè)檢測點(diǎn)，如圖5(b)所示，其中1個(gè)專門用于高程檢測，其余10個(gè)既可用于高程精度檢測也可用于平面精度檢測。

圖5 試驗(yàn)區(qū)檢測點(diǎn)分布

3.2 外業(yè)檢測點(diǎn)測量

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)GPS D級控制點(diǎn)和一個(gè)GPS E級控制點(diǎn)，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測量。為了保證檢核點(diǎn)自身的精度，每個(gè)檢核點(diǎn)進(jìn)行兩次測量，如果其差值在允許范圍內(nèi)(3 cm)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。

3.3 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。DOM精度檢測結(jié)果見表1，通過分析可知，在試驗(yàn)區(qū)一DOM平面檢測點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.047 m，最大值為0.269 m，平均值為0.116 m，檢測點(diǎn)平面中誤差為0.132 m。允許中誤差為0.3 m。

表1 試驗(yàn)區(qū)一DOM平面精度分析結(jié)果 m

DEM精度檢測結(jié)果見表2，通過分析可知，在試驗(yàn)區(qū)一DEM高程檢測點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.020 m，最大值為0.464 m，檢測點(diǎn)高程中誤差為0.186 m。允許中誤差為0.2 m。

表2 試驗(yàn)區(qū)一DEM高程精度分析結(jié)果 m

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)二外業(yè)共測量平面檢核點(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。DOM精度檢測結(jié)果見表3，通過分析可知，在試驗(yàn)區(qū)二DOM平面檢測點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.031 m，最大值為0.143 m，平均值為0.069 m，檢測點(diǎn)平面中誤差為0.076 2 m。允許中誤差為0.3 m。

表3 試驗(yàn)區(qū)二DOM平面精度分析結(jié)果 m

DEM精度檢測結(jié)果見表4，通過分析可知，在試驗(yàn)區(qū)二DEM高程檢測點(diǎn)點(diǎn)位精度誤差最小值為0.014 m，最大值為0.229 m，平均值為0.085 m，檢測點(diǎn)高程中誤差為0.102 m。允許中誤差為0.2 m。

表4 試驗(yàn)區(qū)二DEM高程精度分析結(jié)果 m

4 結(jié)論和展望

(1) 通過本次試驗(yàn)結(jié)果可知，該無人機(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，在今后的研究過程中可以繼續(xù)研究航帶規(guī)劃對航攝影像精度的影響。

(2) 在本次試驗(yàn)中無需進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)的測量。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。相對于傳統(tǒng)的航攝影像制作過程，大大提高了生產(chǎn)和工作的效率。

(3) 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的發(fā)展日新月異，因此對于大比例尺地形圖測繪的時(shí)效性要求越來越高，更新速度越來越快。與此同時(shí)，在國土土地調(diào)查、農(nóng)村確權(quán)發(fā)證、災(zāi)害治理工程和救災(zāi)應(yīng)急測繪中對于快速生產(chǎn)出大比例尺地形圖也有強(qiáng)烈需求。該無人機(jī)系統(tǒng)因其精度高、生產(chǎn)周期短和外業(yè)測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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Research on Application of Key Technology in Complex Terrain of UAV Aerial Photography System

ZHOU Lei，LIANG Shuang，LI Haiquan，NAN Junxiang

(The Second Topographic Surveying Brigade of National Administration of Surveying Mapping and Geoinformation，Xi’an 710054，China)

With the development of economy, the request of large scale topographic map is more and more high, and the production efficiency and accuracy of the traditional aerial technology can not meet the requirements. In this experiment, through the research of DGPS Real-time Kinematic and data post-processing, the key techniques such as the data precision is improved. Fixed-wing UAV aerial photography system is used in mountainous hilly and urban residents area for two kinds of complex terrain 1∶500 large-scale DOM and DEM production. The precision examination showed that its precision completely meets the requirements of 1∶500 large-scale DOM and DEM. At the same time the field control is not needed for the traditional aerial image production the production efficiency is greatly improved.

UAV； GPS real-time kinematic; DEM; DOM

周磊，梁爽，李海泉,等.無人機(jī)航攝系統(tǒng)在復(fù)雜地形應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)[J].測繪通報(bào)，2017(4)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0126.

2016-07-18；

2017-01-23

周 磊(1986—)，男，工程師，碩士，主要從事GIS應(yīng)用和航空攝影等工作。E-mail：srzerg@hotmail.com

P23

A

0494-0911(2017)04-0085-04