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)立飛行試驗場進(jìn)行航攝實驗。在試驗場布設(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，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，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)組成檢校實驗采用的航攝系統(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，可實現(xiàn)低速平穩(wěn)飛行、靈活方便等優(yōu)點，實驗采用固定翼無人機(jī)飛行平臺。平臺主要采用重量輕、強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時掌握無人飛機(jī)和遙感設(shè)備的運行情況。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)航拍飛行試驗的安全性，該檢校場選址于土地整理項目鹽池縣項目區(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的人工控制點標(biāo)志作為平高控制點，另設(shè)10個人工地標(biāo)作為檢查點。所有地面控制點采用rtk實時動態(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1.試驗數(shù)據(jù)。本試驗設(shè)計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)空中三角測量運算中的自檢法，將可能存在的系統(tǒng)誤差，包括相機(jī)的實際測量焦距f、像主點偏移值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、2個檢查點。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為了驗證該檢校結(jié)果的有效性,選擇地面檢查點密布的一組影像,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個控制點和5個檢查點。實驗表明,在檢校前后檢查點的殘差發(fā)生較大變化。根據(jù)檢查點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，但是本次實驗任務(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。實際驗證無人機(jī)航攝系統(tǒng)可以在云下低空運行，具有機(jī)動、靈活、實時等特點，能夠獲取衛(wèi)星和有人飛機(jī)無法獲得的高分辨