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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(cè)圖為目的,采用中型固定翼無人機(jī)平臺(tái),搭載非量測(cè)型民用數(shù)碼相機(jī),區(qū)域設(shè)立飛行試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行航攝實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)場(chǎng)布設(shè)精確定位的人工坐標(biāo),對(duì)非量測(cè)型傳感器進(jìn)行檢校標(biāo)定,對(duì)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(píng)估,并對(duì)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(dòng)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(cè)型相機(jī)存在較大
2、的光學(xué)畸變,不能直接用于測(cè)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(cè)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(tái)、飛行控制系統(tǒng)和非量測(cè)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(tái)。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(tái)。平臺(tái)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(zhǎng)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(cāng)尺寸為550mm×
3、;260mm×180mm,飛行速度為110120km/h飛行相對(duì)高度1km,續(xù)航時(shí)間為1.5h,控制半徑15km。2無人機(jī)飛行平臺(tái)。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(gè)參數(shù)的傳輸,以便地面工作人員實(shí)時(shí)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)總面積5平方公里,區(qū)域內(nèi)高差約80m,為便于辨識(shí)及保證定位精度,制作40個(gè)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(gè)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(shí)動(dòng)態(tài)差分法進(jìn)行測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)地面的高差約為60m,共有6個(gè)控制點(diǎn)、2個(gè)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(duì)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(duì)比檢校后的平差結(jié)果,平差過程中采用5個(gè)控制點(diǎn)和5個(gè)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(duì)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(cè)量?jī)?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(huì)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(tái)的穩(wěn)定性。(2)非量測(cè)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(cè)型相機(jī)的幅面過小,同樣的航偏角對(duì)于135畫面非量測(cè)型相機(jī),則會(huì)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(cè)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(shí)為窄像對(duì)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(cè)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(tái)進(jìn)行相對(duì)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(cè)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(dòng)、靈活、實(shí)時(shí)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
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