基于無人機差分GPS航測遙感研究

摘 要：主要介紹一種基于無人機平臺的航測遙感系統，該系統利用IMU和GPS信息進行具體位置定位，而不需要地面控制點。經過實際飛行數據進一步對系統的幾何精度進行了校正，結果顯示該系統可以用來繪制大比例尺度地形圖以及應用在其他相關領域。

關鍵詞：無人機；IMU；差分GPS；航測

1 引言

近年來，基于無人機飛行器的航測遙感系統是國內外迅速發展起來的一種新型空間信息采集系統，該系統以無人機（UAV）為飛行平臺，利用IMU、GPS接收機、機載相機、激光掃描儀等設備對地面進行實施觀測采集地面位置等數據[1][2]。相對于傳統航空攝影測量系統，擁有高效快速、精細準確、機動靈活、安全可靠、應用范圍廣等多方面優勢，尤其在城市數字化迅速發展、新農村測繪保障、救災應急服務等具有非常好的應用前景，也可以補充傳統攝影測量和衛星遙感的不足。

文章主要考慮高效、迅速、高精度獲取小范圍地理信息的需要，提出了一種基于無人機差分GPS航測遙感系統。利用這一系統可以進行低空拍攝測量，并能夠達到1：2000以上大尺度比例地形圖的繪制及遙感應用的高精度需求。下面對系統的具體構成、雙拼相機系統等進行分析描述。

2 系統構成

系統的主要部分包括：UAV、差分GPS、IMU、雙拼相機、激光掃描儀和數據處理軟件等。

2.1 無人機

在這里可以采用由中國武漢生產的智能鳥kc2400無人機，如圖1所示。

2.2 雙拼相機系統

目前，在無人機航測遙感系統上最主要的設備就是相機傳感器系統，與大型飛機不同，無人機具有機身小和動力不足等缺點，近年無人機平臺搭載的相機一般都是家用面陣CCD相機。價格上雖然這一類相機比較便宜，但是畸變差太大、且光學性能較低、不能消除抖動影響。除此之外，CCD相機像場角度小、攝影范圍小，如果用在航拍系統中，難免處理效率較低的影響。

為了克服面陣CCD相機存在的一系列問題，使采集到的遙感數據能夠滿足大比例尺測圖的需求，不但要嚴格對相機進行方位參數精度的校驗，而且應采用目前出現的大幅面相機。如果在無人機載重允許的情況下，可以采用多拼相機系統。針對kc2400無人機我們開發了雙拼光學相機系統，如圖2所示。我們用兩臺佳能EOS 5D數碼相機組成了雙拼光學相機系統，后期經過我們自己的無人機航拍處理系統（基于SIFT算法無人機航拍系統）能夠拼接獲得大幅面的虛擬合成圖像，其精度和效率大大提高，遠大于單相機系統。表1顯示了本系統的主要技術參數。圖3顯示了相機系統拍攝的原始圖像，圖4顯示了經過我們無人機航拍處理系統后合成的大幅面虛擬圖像。

2.3 其它傳感器

同樣，IMU、GPS和激光掃描儀也是無人機航測遙感系統的重要構成設備。因為IMU和GPS通過卡爾曼濾波獲得姿態信息和高精度坐標能夠直接運用在圖像的外方位信息，他可以大程度縮減圖像的空三處理過程，降低戶外作業量，提升戶外效率，并可以確保空三的精度和質量。目前來看，IMU和GPS構成的POS體系是航測系統必須具備的重要設備，對于配備激光掃描儀的航拍測量設備來說尤其重要，如果沒有IMU和GPS構成的POS系統，激光掃描將是一種擺設。

激光掃描儀是一種新型攝影測量儀器設備，它可以準確迅速采集掃描目標的三維空間參數，近年來，激光掃描儀和航空數字相機在全球一起獲得相當廣泛的使用。從目前來看，大部分激光掃描儀智能獲取地物三維空間參數，也就是所謂的三維點云，它不能采集到地物的光譜數據，于是在實際運用中通常與數字圖像一起獲取帶彩色的三維點云，以便對地物的分析了解。所以，我們在系統中將IMU、GPS和激光掃描儀合成在一起。

2.4 數據處理軟件系統

無人機航測遙感系統合成了多相機、IMU、GPS、和激光掃描儀等設備，它的數據處理單元基本上包括了目前攝影測量新設備的整體數據處理內容，比如：系列圖像排序、多相機圖像拼接技術、數字圖像融合、IMU/GPS數據的卡爾曼濾波、激光點云絕對定向與融合、多相機合成圖像的空三處理等。因為所利用的相機的圖像幅面小、傾角大、數量多并且重疊度不規則，于是專門研發了針對無人機影像數據處理系統（基于SIFT算法的無人機圖像處理系統）。該系統突破了傳統航測在航拍比例尺度、重疊度、亮度變化、仿射角等問題的嚴格限制，按照嚴謹的數學模型可以處理目前所有面陣航攝膠片相機、組合寬角相機、數字相機和各自全景數碼相機的圖像。經過無人機航拍、低空輕型機航拍、無人機航攝所采集的交向攝影圖像、豎直攝影圖像、亮度變化圖像、仿射變化圖像以及復雜航線多基線攝影圖像，經過多視圖像匹配自動形成空中三角測量網，可以采集多達10000片圖像的大范圍網光束平差；再結合低空航拍的高清晰圖像，能夠達到高精度航測定位，并可以自動化產生數字正射圖像（DOM）數字高程模型（DEM）等產品。將結合實際情況，在下一章節討論飛行數據對全部處理過程進行分析。

3 實驗分析

為了檢驗上述無人機航測遙感系統的整體性能，我們選取了距中國地質大學9km的實驗區進行了實驗觀察，精度范圍為厘米級。在實驗區內我們選擇了6條航線，拍攝了共24張圖像。拍攝比例約為1： 6000，地面分辨率約為7.5cm，航向重疊度約為60%。由控制點殘差計算出的空三后的中誤差為：X方向6.6cm，Y方向4.3cm，Z方向11.8cm；最大殘差：X方向10.2cm，Y方向6.7cm，Z方向27.3cm。

通過實驗結果顯示，高程和平面全實現了預先的1：2000成像精度要求，甚至1：1000的成像要求。通過絕對定向后，不但能夠達到預先精度要求，而且也能夠達到高程精度。但由于本次測量范圍較小，系統的性能不能完全得到驗證，還需要大量的實驗數據分析，達到進一步完善本系統。

4 結束語

最近幾年，無人機航測遙感系統在國內外得到了迅猛發展，它是一種新型空間信息獲取與處理的工具，依靠無人機平臺，通過搭載各種設備對地面進行觀察以便獲取遙感信息。與傳統航空攝影相比較，本系統具有高效性、實時性、精度高、作業成本低、應用范圍廣等優點。通過實驗表明無人機航測遙感系統能夠滿足一定的需求，其發展潛力不可估量。

參考文獻

[1]Nagai M，Chen T，Shibasaki R，Kumagai H，Afzal A. 2009. UAV-Borne 3-D Mapping System by Multisensor Integration[C]// IEEE Transactions on geosciences and remote sensing. 2009，47（03）：701-708.

[2]Chen T，Shibasaki R，Murai S. Development and Calibration of the Airborne Three-Line Scanner （TLS） Imaging System[J].Journal of the American Society for Photogrammetry and Remote Sensing PERS，2003，69（01）：71-78.

[3]程鵬飛，蔡艷輝，文漢江，王解先，姚宜斌，等.全球衛星導航系統[M].北京：測繪出版社，2009.

[4]高星偉，過靜 ，秘金鐘，趙春梅，祝會忠. GPS網絡差分方法與實驗[J].測繪科學，2009，34（5）：52-54.

[5]Nagai M，Shibasaki R，et al. 2004. Development of digital surface and feature extraction by integratinglaser scanner and CCD sensor with IMU[J].ISPRS2004，Istanbul，Vol. XXXV，Part B5.