基于天狼星無人機大比例尺測圖精度分析

 攝影測量在攝影技術發(fā)展的歷史中經(jīng)歷了三個階段，分別為模擬攝影測量階段、解析攝影測量階段和數(shù)字攝影測量階段【1】，現(xiàn)如今，已經(jīng)全面步入數(shù)字攝影測量時代。在國家開放低空空域，深化低空空域管理改革的背景下【2】，小型化的無人機航空攝影測量，開始逐步被測繪、林業(yè)、礦業(yè)、交通、水利、電力等行業(yè)所接納，并用于大比例尺測圖、地籍測量、智慧城市建設、災害監(jiān)測、應急保障快速測繪、國家基礎測繪等項目。然而，大比例尺數(shù)字測圖要求點位精度高，野外數(shù)據(jù)采集的方法必須準確可靠【3】。拓普康天狼星無人機航測系統(tǒng)作為一種新型的航測技術，彌補了中低空普通航空大比例尺測圖出現(xiàn)的不足，成為基礎地理信息數(shù)據(jù)獲取的一個新手段。我們也隨之意識到，努力提高量測精度和作業(yè)水平，這是保證航測大比例尺成圖精度的重要措施【4】。本文通過天狼星無人機進行小范圍實際測圖，以1：500大比例尺測圖標準為參考，對其測圖精度驗證分析。 　　1 天狼星無人機航攝系統(tǒng) 天狼星(Sirius PRO)無人機測圖系統(tǒng)是美國拓普康定位系統(tǒng)公司研制的高精度無人機測圖系統(tǒng)，通過高精度的定位定向(Position and Orientation System，POS)系統(tǒng)記錄高精度姿態(tài)參數(shù)【5】，可大大節(jié)省整個航空攝影加密測圖流暢的工作時間【6】，能顯著提高作業(yè)速度【7】。它配備有從飛行計劃、影像獲取、后處理到數(shù)據(jù)分析的全套軟件，屬于微型電動固定翼RTK航空測圖系統(tǒng)。 　　1.1 無人機飛行平臺 拓普康天狼星(Sirius PRO)無人機采用了富士XM1相機，APS-C-X-Trans CMOS傳感器，對不同的高精度3D城市建模、高清影像航測應用需求提供了最大的滿足。手拋式起飛，在執(zhí)行航測飛行任務和返回著陸過程中始終保持自動駕駛的穩(wěn)定飛行姿態(tài)，抵御不良天氣，保證成像穩(wěn)定并自動化操作。 拓普康天狼星將100Mz RTK模塊集成到無人機內(nèi)，在無人機航測領域內(nèi)首次實現(xiàn)了無地面像控的測量方式，利用實時差分數(shù)據(jù)固定解具有厘米級精度的RTK技術和無人機相結(jié)合，實時獲取曝光點空間位置達到無像控，從而實現(xiàn)無地面控制的高精度、實時攝影測量與遙感【8】，以更便利快捷的方式采集野外數(shù)據(jù)，使得外業(yè)測量工作強度降低，改善了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在數(shù)字攝影測量時代，少用地面控制點或無地面像控不但可以減輕野外測量強度，縮短作業(yè)周期，而且可以提高航空攝影測量作業(yè)的自動化強度【9】。 　　1.2 數(shù)據(jù)通訊 天狼星的通訊模式與傳統(tǒng)無人機不同，它的遙控器和連接器采用的是一種獨立雙通訊的鏈路，如果其中的一條鏈路出現(xiàn)故障，這時另外一條鏈路也可以提供完整的控制，這種通訊機制實現(xiàn)了雙備份的功能，為安全飛行提供了最有力的保障。 　　1.3 配套軟件 天狼星標準配套軟件主要包括飛行計劃軟件MAVinci Desktop和影像后處理軟件PhotoScan Pro。通過這兩種主配套軟件，用戶通過一鍵式后處理接口，實現(xiàn)正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM和點云三種不同類型的生產(chǎn)結(jié)果。不僅如此，用戶還可選擇多種數(shù)據(jù)加工和編輯平臺滿足不同的需求，實現(xiàn)生成等高線、體積量計算、DLG編輯、虛擬測量等不同功能。 　　2 拓普康天狼星無人機1：500地形圖施測　　2.1 項目測區(qū)概況 測區(qū)位于上海市崇明區(qū)某農(nóng)田附近。測量面積為0.058km2，測區(qū)大部分為水田，中間交叉鄉(xiāng)村水泥小路，交通條件便捷，測區(qū)地勢起伏平緩，植被主要為水稻、草地和蘆葦，通視條件較好。 　　2.2 作業(yè)航飛 根據(jù)測區(qū)現(xiàn)狀以及天狼星無人機成圖比例尺1：500測圖精度驗證分析需求，選擇目標區(qū)域和期望的地面采樣距離后，飛行計劃軟件Desktop軟件自動創(chuàng)建獨立的飛行計劃，飛行相對航高127m，地面分辨率3cm，航向重疊率80%，旁向重疊度70%，設計航線手拋式起飛進行航測數(shù)據(jù)采集。 在航飛之前，為檢驗航測精度，在測區(qū)范圍內(nèi)噴繪擺設10處50cm×50cm十字檢測靶標，均勻分部在測區(qū)內(nèi)，用每個檢測靶標中心點作為檢測點。使用測區(qū)附近D級GPS控制網(wǎng)的控制點作為控制基礎，坐標系統(tǒng)為BJ54坐標系，3°帶投影，中央經(jīng)線121.466667E，利用RTK技術，在固定解狀態(tài)下進行測量，為保證檢測點自身精度，每個檢測點在測量過程中進行3次采集，取其平均值作為最終成果【10】。 　　2.3 數(shù)據(jù)處理 攝影測量大數(shù)據(jù)的處理是現(xiàn)階段攝影測量迫切需要解決的問題【11】，天狼星無人機對此做了很大的改善。本次項目航飛完成后，通過MAVinci Desktop對高精度POS數(shù)據(jù)的下載和航飛影像的自動匹配，導入PhotoScan Pro數(shù)據(jù)處理軟件，是一款由俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，它根據(jù)多視圖三維重建技術，可以對任意照片進行處理【12】，無需控制點，無需人工干預的情況下【13】，實現(xiàn)航測成果中DOM和DEM產(chǎn)品的自動生成，生產(chǎn)結(jié)果疊加后導入清華三維EPS 3DSurvey中進行“裸眼畫3D”的新型工作模式立體測圖。本文項目測區(qū)航飛時間為9分鐘，航攝167張影像，軟件處理匹配時間1小時7分鐘，校準優(yōu)化時間5分鐘46秒，密集點數(shù)量16012906個，深度過濾處理時間12分45秒，重建測區(qū)DEM，如圖1所示。

 圖1 重建DEM 　　3 精度檢核分析 從本次項目Agisoft PhotoScan+MAVinci插件的處理報告中獲悉航攝日志相關參數(shù)，可以反映相機位置精度。在后處理得到正射影像和DSM后，從正射影像上量測了均勻分布的10個標志檢測點的平面坐標，并在DSM上量測了對應的高程，對天狼星無人機航測平面精度和高程精度進行檢驗。 　　3.1 相機位置和誤差估計分析 天狼星無人機的POS系統(tǒng)作為航空攝影測量系統(tǒng)的基準傳感器，集慣性導航技術和衛(wèi)星導航技術于一體，可實時獲取載體位置姿態(tài)。POS系統(tǒng)輔助航空攝影測量，獲得高精度定位定向信息【14】，其優(yōu)越性獲得測繪領域高度認同。本文通過對相機位置的誤差估計來反映其精度。如圖2所示，可以直觀形象的反映誤差的大小以及分布情況，Z誤差由橢圓的顏色表示，X、Y的誤差由橢圓的形狀表示，估計的相機位置用一個黑點標記。

  圖2 相機位置和誤差估計解析圖 表1數(shù)據(jù)反映的是圖2整體的平均誤差統(tǒng)計，可知，線元素X、Y的平均位置誤差在2cm內(nèi)，Z的平均位置誤差小于3mm，因此可以滿足1：500大比例尺測圖的精度要求。

        表1 相機位置平均誤差 m

       3.2 平面精度 表2 平面數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計結(jié)果

3.3 高程精度

表3 高程數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計結(jié)果

 注：H1指靶標中心點RTK技術實測高程;H2指DEM檢測點獲取對應靶標中心點高程。 　　 4 結(jié)語 天狼星無人機作業(yè)成本低、自動化程度高，在采集像片的同時，同步完成控制點的布設，取代傳統(tǒng)的地面控制點，一次飛行采集的控制點平面和高程精度都是RTK厘米級精度，借助RTK技術幫助我們作業(yè)需要獲取高精度航空制圖成果，顯著減輕了野外作業(yè)強度，為航測工作提供了更多的便利。本文通過對天狼星無人機實際測圖數(shù)據(jù)進行精度分析，滿足1:500大比例尺測圖要求，進一步證明了天狼星無人機的實用性和可靠性，值得推廣和應用。

參考文獻 [1] 劉洋.無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的研究[D].上海:東華理工大學, 2016：1. [2] 張惠均.無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J].測繪科學，2013，38(3)：100-105. [3] 楊曉明，段莉.數(shù)字地形圖測繪中的幾個問題探析[J].測繪通報, 2004(10)：42-45. [4] 祝敬張，楊永安，高偉良，等.1：2000比例尺航測成圖試驗報告[J].測繪學報，1982，11(3)：224. [5] 田金炎，段福洲，袁媛，等.基于圖像匹配的無人機飛行質(zhì)量評估方法 [J].測繪科學，2013，38(5)：175-176. [6] 楊成，白石.POS系統(tǒng)及其在航空攝影中的應用 [J].長江科學院院報，2013，30(2)：76-78. [7] 楊曉明，袁天奇，王偉，等.山區(qū)快速高精度高程測量方法研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版)，2014，35(2)：65-68. [8] 李德仁.攝影測量與遙感學的發(fā)展展望[J].武漢大學學報·信息科學版, 2008，33(12)：1212-1214. [9] 袁修孝.當代航空攝影測量加密的幾種方法[J].武漢大學學報·信息科學版, 2007，32(11)：1002-1006. [10] 李濤.天狼星無人機航攝系統(tǒng)在復雜地形測量中的應用與精度分析[J].測繪通報, 2017(12)：148. [11] 張祖勛，陶鵬杰.談大數(shù)據(jù)時代的“云控制”攝影測量[J].測繪學報，2017，46(10)：1239-1243. [12] 楊堯蘭.天狼星無人機攝影測量系統(tǒng)在大比例尺成圖中的應用研究[D].昆明:昆明理工大學, 2016：18. [13] 姜丙波，查海林，蘇軍明，等.POS高精度POS在無人機航攝大比例尺測圖中的應用 [J].測繪通報，2017，增刊：30-32. [14] 萬輝.航空攝影測量中機載POS系統(tǒng)的高精度定位定向技術研究[D].南京:南京航空航天大學, 2011. [15] 數(shù)字地形圖系列和基本要求.圖書書名頁：GB/T 18315-2001[S].北京:中國標準出版社, 2001. [16] 孟現(xiàn)彪，史雅茹，王曉志，等.拓普康天狼星無人機在1：500地形圖測繪中的應用[J].內(nèi)蒙古電力技術, 2017：92.