低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺成圖分析

1、    低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺成圖分析    楊治強(qiáng)摘要：以大比例尺（1:500、1:1000、1:2000）地形圖測圖為目的，采用中型固定翼無人機(jī)平臺，搭載非量測型民用數(shù)碼相機(jī)，區(qū)域設(shè)立飛行試驗(yàn)場進(jìn)行航攝實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)場布設(shè)精確定位的人工坐標(biāo)，對非量測型傳感器進(jìn)行檢校標(biāo)定，對無人機(jī)航攝系統(tǒng)獲取的航攝影像平面精度及高程精度進(jìn)行評估，并對系統(tǒng)的改進(jìn)提出良好建議。引言無人飛行器航空攝影系統(tǒng)由于使用成本低、影像分辨率高、機(jī)動快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為低空遙感數(shù)據(jù)快速獲取的有效途經(jīng)。而傳統(tǒng)無人機(jī)并非為航空遙感而設(shè)計(jì)，此外，無人航空飛行器所搭載的非量測型相機(jī)存在較大

2、的光學(xué)畸變，不能直接用于測繪生產(chǎn)。因此，低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)面臨著工作效能與測量精度兩方面的問題。航攝系統(tǒng)組成檢校實(shí)驗(yàn)采用的航攝系統(tǒng)組成部分：固定翼無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)和非量測型面陣canon eos 5d mark(36mm×24mm)數(shù)碼相機(jī)，及地面站、遠(yuǎn)程無線通信裝置、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施。無人機(jī)飛行平臺。由于固定翼無人機(jī)具有低成本，可實(shí)現(xiàn)低速平穩(wěn)飛行、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用固定翼無人機(jī)飛行平臺。平臺主要采用重量輕、強(qiáng)度大的玻璃鋼和碳纖維復(fù)合材料加工而成，機(jī)長為2.2m，翼展為2.4m,最大起飛重量為2kg,起飛速度為80km/h,任務(wù)倉尺寸為550mm×

3、;260mm×180mm,飛行速度為110120km/h飛行相對高度1km，續(xù)航時間為1.5h,控制半徑15km。2無人機(jī)飛行平臺。飛行控制系統(tǒng)用于飛行控制與任務(wù)設(shè)備管理，由自駕儀、姿態(tài)陀螺、gps定位裝置、無線電遙控系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)、航高、航速、航向的控制及各個參數(shù)的傳輸，以便地面工作人員實(shí)時掌握無人飛機(jī)和遙感設(shè)備的運(yùn)行情況。無人機(jī)上采用gps接收板普通單頻無差分gps，導(dǎo)航精度約在5m以內(nèi)，控制方式有人工遙控和自主飛行兩種。3遙感設(shè)備。此次試驗(yàn)搭載的遙感設(shè)備為ys09及canon eos 5d mark(36mm×24mm)廣角定焦鏡頭相機(jī)，鏡頭標(biāo)稱焦距24.

4、3394mm;cmos傳感器尺寸：36mm×24mm，最大像素：5616像素×3744像素。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點(diǎn)曝光，將對焦環(huán)固定在無窮遠(yuǎn)處鎖定相機(jī)的內(nèi)方位元素，并采用固定光圈以保證統(tǒng)一物鏡畸變參數(shù)。三地面檢校場的建立為保證無人機(jī)航拍飛行試驗(yàn)的安全性，該檢校場選址于土地整理項(xiàng)目鹽池縣項(xiàng)目區(qū)，地理位置為38.06n，107.13e,所選檢校場總面積5平方公里，區(qū)域內(nèi)高差約80m,為便于辨識及保證定位精度，制作40個80cm×80cm的人工控制點(diǎn)標(biāo)志作為平高控制點(diǎn)，另設(shè)10個人工地標(biāo)作為檢查點(diǎn)。所有地面控制點(diǎn)采用rtk實(shí)時動態(tài)差分法進(jìn)行測量，坐標(biāo)高程均為

5、wgs-84 itrf97基準(zhǔn)，平面及高程位置精度可保證在±10cm以內(nèi)。四基于檢校場的航攝試驗(yàn)1.試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)飛行拍攝模式為等距曝光，無人機(jī)航高為700m,地面分辨率為10cm，檢校場影像航向重疊度為60%70%，旁向重疊度為20%40%。該架次影像共有兩組，挑選符合要求且覆蓋地面已知點(diǎn)較多的兩組影像參與后期的平差處理。相機(jī)檢校與測圖精度分析。研究的檢校原理是采用區(qū)域網(wǎng)空中三角測量運(yùn)算中的自檢法，將可能存在的系統(tǒng)誤差，包括相機(jī)的實(shí)際測量焦距f、像主點(diǎn)偏移值x、y、物鏡各畸變參數(shù)等，作為附加參數(shù)引入光束法區(qū)域網(wǎng)平差。航帶中選取a組影像進(jìn)行自檢校平差，a區(qū)處于航帶中間位置，包括

6、第二航帶和第三航帶，對應(yīng)地面的高差約為60m，共有6個控制點(diǎn)、2個檢查點(diǎn)。為便于誤差控制，所有后處理過程中均采用utm44n投影，通過上述畸變模型對該組影像進(jìn)行系統(tǒng)誤差計(jì)算。檢校結(jié)果如下：f=24.3294mmxo=0.2921mm, yo=0.4791mmk1=-8.6082e-005, k2=-1.0511e-005為了驗(yàn)證該檢校結(jié)果的有效性,選擇地面檢查點(diǎn)密布的一組影像,在未代入檢校結(jié)果前,先采用鏡頭標(biāo)稱值進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差,然后對比檢校后的平差結(jié)果，平差過程中采用5個控制點(diǎn)和5個檢查點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,在檢校前后檢查點(diǎn)的殘差發(fā)生較大變化。根據(jù)檢查點(diǎn)在檢校前后的殘差變化,檢校后的平面和高程精度均有

7、所改善,其中對高程精度的影響尤其明顯,這表明了檢校結(jié)果的有效性。且所有檢查點(diǎn)的平面精度滿足1:1000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范，但高程在相機(jī)標(biāo)定前后都有所超限。五分析總結(jié)1.存在問題及原因分析（1）航攝效率問題。無人機(jī)的飛行高度決定它所受到的天氣影響會遠(yuǎn)小于航空遙感及衛(wèi)星傳感器，但是本次實(shí)驗(yàn)任務(wù)中出現(xiàn)了不穩(wěn)定造成的影像姿態(tài)角超限。因此在后續(xù)工作中應(yīng)當(dāng)提高飛行器平臺的穩(wěn)定性。（2）非量測型相機(jī)的局限。在航攝比例尺1:3000的情況下，航偏角一般不大于10°，由于非量測型相機(jī)的幅面過小，同樣的航偏角對于135畫面非量測型相機(jī)，則會出現(xiàn)攝影漏洞（重疊度50%）。因此，有必要采取相機(jī)拼接的

8、辦法或者選取中畫幅相機(jī)以提高像片覆蓋。（3）測高精度。影像的高程精度是直接由傳感器本身設(shè)計(jì)的基高比來決定的。理想基高比為1:11:1.5，本次任務(wù)時為窄像對飛行模式，航向重疊度60%?；弑葹椋篵/h=(1-60%)×4032×gsd)/h=0.2304式中，gsd為影像像元的地面分辨率。因此，要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)大比例尺地形圖立體測繪必須要增大基高比，而增大基高比必須通過通過增大航向成像寬度或縮短焦距來實(shí)現(xiàn)。2.總結(jié)本次采取135畫幅數(shù)碼相機(jī)，以無人飛行器為平臺進(jìn)行相對航高為700m的航攝作業(yè)，通過檢校標(biāo)定成像結(jié)果，可以滿足1:1000地形圖測繪的平面精度要求。實(shí)際驗(yàn)證無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以在云下低空運(yùn)行，具有機(jī)動、靈活、實(shí)時等特點(diǎn)，能夠獲取衛(wèi)星和有人飛機(jī)無法獲得的高分辨