無人機航攝系統在復雜地形應用的關鍵技術試驗

周 磊，梁 爽，李海泉，南竣祥

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

無人機航攝系統在復雜地形應用的關鍵技術試驗

周 磊，梁 爽，李海泉，南竣祥

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

隨著經濟快速發展，我國對于大比例尺地形圖的需求越來越高，傳統航測技術在生產效率和精度上都無法滿足要求。在本次試驗中，通過研究GPS實時動態差分技術和數據后處理等關鍵技術，提高了數據精度。實現了固定翼無人機航攝系統在山區丘陵和城區居民地兩種復雜地形的1∶500大比例尺DOM和DEM的制作，通過精度檢查表明，其精度完全滿足1∶500大比例尺DOM和DEM的要求。同時擺脫了傳統航攝影像制作時需要外業像控測量的作業模式，大大提高了生產效率。

無人機；GPS動態實時差分；DEM；DOM

隨著目前我國經濟的迅速發展，特別是城鎮化步伐的加速，我國在城鎮規劃、建設、交通、社保、土地、管理和公眾服務中對于大比例尺地圖的需求越來越廣泛，而且對成圖時效性的要求越來越高。

目前，國內利用高分辨率航空遙感影像進行測圖和局部數據更新的應用已經較多，但是卻存在著許多問題。一方面，利用大飛機航測具有成本高、空管調度難、起飛場地苛刻等弊端，不適合小面積區域測圖；另一方面，雖然小型無人機具有成本低、靈活機動、能夠進行云下作業等優點，但是由于搭載的非專業相機自重小、飛行姿態不穩定，導致其獲取的數據影響精度無法滿足大比例尺測圖，特別是復雜地形區域的精度要求。

本文針對復雜地形區域的特點，通過對無人機航測系統關鍵技術進行創新研究，一方面避免了外業像控點的測量工序；另一方面提高了在復雜地形中的精度，滿足了大比例尺精度的要求。

1 無人機航攝系統結構和原理

無人機航攝系統，也稱為低空無人機系統UAV(unmanned aerial vehicle)航攝系統，包括飛行平臺、航線設計和飛行控制系統、GPS實時動態差分系統和數據后處理系統。

1.1 無人機系統

在本次試驗中，采用的可拆卸手拋式無人機為傳統前置螺旋槳驅動，機身為EPO泡沫，尺寸為163 cm×120 cm，全重僅2.7 kg，便于發射和回收，如圖1所示。

1.2 航線設計和飛控系統

分析兩個試驗區的特點，在試驗區一，因為地勢開闊，因此采取“之”字形航線設計；在試驗區二，因地形復雜，區域內有高層建筑，因此采取“井”字形的航線設計，航線設計的航向重疊度為30%，旁向重疊度為80%。在航線設計時，對地形進行粗略匹配，從而可以提高飛行效率。

圖1 無人機系統

圖2 試驗區航線規劃

在航線設計好之后，通過飛行器電臺，將航線上傳至飛控系統。飛控系統包括機載自控系統和地面遙控系統兩部分。在將航線上傳之后，由自控系統根據航線對飛機飛行姿態進行控制，同時通過飛行器電臺，將實時飛行數據傳輸給地面控制平臺。地面遙控系統可以在自控系統出現問題時，實時對飛機的飛行進行控制，從而保證飛行的安全性。

1.3 GPS實時動態差分系統

該系統采用GPS實時差分技術。除在航飛區域附近架設GPS基站之外，在飛機上同時裝有GPS接收裝置，通過電臺進行通信。利用GPS數據差分處理器，利用機載和架設的GPS信息，能夠實時聯合結算出無人機的空間坐標位置和飛行姿態等數據參數。相對于傳統PPK后差分系統，能夠實時監控飛行和航片質量，提高生產效率和數據精度。

1.4 數據后處理系統

數據后處理采用俄羅斯Agisoft公司的Photoscan Professional軟件，無需設置初始值，無需相機校準，利用多視圖三維重建技術能夠生成高分辨率的正射影像和DEM模型。

2 無人機航攝系統試驗實施過程

2.1 技術路線

在本次試驗過程中，為了檢測固定翼無人機的精度，選擇了兩片典型試驗區。同時，選擇明顯地物點作為數據精度的檢測點，并利用RTK進行測量。技術路線流程如圖3所示。

圖3 無人機試驗技術路線

2.2 測區概況

在本次試驗中，選擇了兩處典型地貌特征區域用于精度檢測。

2.2.1 試驗區一

試驗區一位于神木縣西南，其中心點位置為東經110°29′11.48″，北緯38°45′46.08″，南北長1.17 km，東西長1.08 km，總面積約為1.26 km2，試驗區內主要為起伏丘陵，還包括光伏電廠(部分)和水庫，地表植被豐富，如圖4(a)所示。

2.2.2 試驗區二

試驗區二位于神木縣南側新區神木縣新村建設管理委員會附近，試驗區中心點位置為東經110°27′50.12″，北緯38°53′38.92″。南北長1.54 km，東西長0.73 km，總面積約為1.1 km2。試驗區內主要為建筑物，房屋密集，包括城市廣場和異形體育場館一座，高層建筑和低矮房屋建筑交錯布局，地物類型豐富，如圖4(b)所示。

圖4 試驗區位置及范圍

2.3 航攝情況

在航飛過程中，時間選擇和天氣環境對航飛影響較大。本次航飛天氣晴好，氣溫19℃～32℃，兩個試驗區無低云、霧霾，東北風，低空風速小于3級。試驗區一航攝時間窗口為上午9點—11點，試驗區二航攝時間窗口為下午12點—14點，該時間窗口太陽高度角較大，地物影子短。

2.4 數據處理

在數據后處理中，使用Agisoft公司提供的PhototScan Professional(64 bit)軟件。在PhotoScan軟件中導入照片，利用SIFT算子提取每張相片中的特征點并獲取其相對應的Descriptor。利用下載的POS數據對相片進行對齊，利用RANSAC算法對粗差剔除，消除誤匹配。利用GPS獲取的圖根點坐標，利用共線方程計算出像點物方空間坐標，在逐次平差迭代的過程中，剔除粗差，建立數字點云。從數據導入到生成DEM、DOM等數字產品其所需時間約4 h。

3 無人機航攝系統大比例尺成圖精度分析

3.1 外業檢測點分布

為了驗證航拍正射影像精度，在試驗區利用動態RTK測量共選取了27個檢測點，其中試驗區一有16個檢測點，分布情況如圖5(a)所示，其中7個點專門用于高程檢測，其余9個點既可用于高程精度檢測也可用于平面精度檢測；試驗區二有11個檢測點，如圖5(b)所示，其中1個專門用于高程檢測，其余10個既可用于高程精度檢測也可用于平面精度檢測。

圖5 試驗區檢測點分布

3.2 外業檢測點測量

在試驗區，選擇較為明顯、易于判斷的地點作為平面檢核點；選擇地面平坦、局部高程變化較小的地點作為高程檢核點。使用試驗區內分布的一個GPS D級控制點和一個GPS E級控制點，利用RTK技術，在固定解狀態下進行測量。為了保證檢核點自身的精度，每個檢核點進行兩次測量，如果其差值在允許范圍內(3 cm)則取其平均值作為最終成果，如果大于允許范圍則重新進行量測。

3.3 精度統計和分析

經統計，試驗區一外業共測量平面檢核點9個，高程檢核點16個，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM標準進行精度檢測。DOM精度檢測結果見表1，通過分析可知，在試驗區一DOM平面檢測點點位精度誤差最小值為0.047 m，最大值為0.269 m，平均值為0.116 m，檢測點平面中誤差為0.132 m。允許中誤差為0.3 m。

表1 試驗區一DOM平面精度分析結果 m

DEM精度檢測結果見表2，通過分析可知，在試驗區一DEM高程檢測點點位精度誤差最小值為0.020 m，最大值為0.464 m，檢測點高程中誤差為0.186 m。允許中誤差為0.2 m。

表2 試驗區一DEM高程精度分析結果 m

經統計，試驗區二外業共測量平面檢核點10個，高程檢核點11個，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM標準進行精度檢測。DOM精度檢測結果見表3，通過分析可知，在試驗區二DOM平面檢測點點位精度誤差最小值為0.031 m，最大值為0.143 m，平均值為0.069 m，檢測點平面中誤差為0.076 2 m。允許中誤差為0.3 m。

表3 試驗區二DOM平面精度分析結果 m

DEM精度檢測結果見表4，通過分析可知，在試驗區二DEM高程檢測點點位精度誤差最小值為0.014 m，最大值為0.229 m，平均值為0.085 m，檢測點高程中誤差為0.102 m。允許中誤差為0.2 m。

表4 試驗區二DEM高程精度分析結果 m

4 結論和展望

(1) 通過本次試驗結果可知，該無人機在山區丘陵(試驗區一)和城區居民地(試驗區二)的復雜地形應用中，其得到的高精度DEM、DOM平面中誤差和高程中誤差均能滿足1∶500大比例尺的測圖精度。且城區居民地(試驗區二)的精度高于山區丘陵(試驗區一)精度，其原因可能是由于試驗區二采用“井”字形航帶設計導致，在今后的研究過程中可以繼續研究航帶規劃對航攝影像精度的影響。

(2) 在本次試驗中無需進行外業像控點的測量。在作業時只需要利用RTK獲取通信基站的GPS坐標作為圖根點便可。相對于傳統的航攝影像制作過程，大大提高了生產和工作的效率。

(3) 隨著我國經濟的快速發展，城市的發展日新月異，因此對于大比例尺地形圖測繪的時效性要求越來越高，更新速度越來越快。與此同時，在國土土地調查、農村確權發證、災害治理工程和救災應急測繪中對于快速生產出大比例尺地形圖也有強烈需求。該無人機系統因其精度高、生產周期短和外業測量依賴性較小等特點，在以上方面將具有廣闊的應用前景。

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Research on Application of Key Technology in Complex Terrain of UAV Aerial Photography System

ZHOU Lei，LIANG Shuang，LI Haiquan，NAN Junxiang

(The Second Topographic Surveying Brigade of National Administration of Surveying Mapping and Geoinformation，Xi’an 710054，China)

With the development of economy, the request of large scale topographic map is more and more high, and the production efficiency and accuracy of the traditional aerial technology can not meet the requirements. In this experiment, through the research of DGPS Real-time Kinematic and data post-processing, the key techniques such as the data precision is improved. Fixed-wing UAV aerial photography system is used in mountainous hilly and urban residents area for two kinds of complex terrain 1∶500 large-scale DOM and DEM production. The precision examination showed that its precision completely meets the requirements of 1∶500 large-scale DOM and DEM. At the same time the field control is not needed for the traditional aerial image production the production efficiency is greatly improved.

UAV； GPS real-time kinematic; DEM; DOM

周磊，梁爽，李海泉,等.無人機航攝系統在復雜地形應用的關鍵技術試驗[J].測繪通報，2017(4)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0126.

2016-07-18；

2017-01-23

周 磊(1986—)，男，工程師，碩士，主要從事GIS應用和航空攝影等工作。E-mail：srzerg@hotmail.com

P23

A

0494-0911(2017)04-0085-04