無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在海岸帶大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

劉森波，周興華，林旭波，楊 龍，馮義楷

(國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

測(cè)繪4.0：拓普康索佳應(yīng)用方案專欄

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在海岸帶大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用

劉森波，周興華，林旭波，楊 龍，馮義楷

(國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061)

總結(jié)了海岸帶測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，研究了無(wú)像控?zé)o人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成和數(shù)據(jù)處理流程。以即墨市小島灣海岸帶區(qū)域?yàn)槔_展了無(wú)人機(jī)海岸帶大比例尺測(cè)圖試驗(yàn)，并對(duì)成果進(jìn)行了精度分析。結(jié)果表明，在海岸帶地區(qū)，可以利用無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)采用無(wú)像控點(diǎn)模式實(shí)現(xiàn)大比例尺測(cè)圖。

無(wú)人機(jī)；航空攝影測(cè)量；海岸帶；數(shù)字表面模型；數(shù)字正射影像

海岸帶是陸地與海洋相互作用的地帶，是沿岸陸地與海岸動(dòng)力相互作用、具有海陸過(guò)渡特點(diǎn)的獨(dú)立環(huán)境體系，與人類生存與發(fā)展的關(guān)系非常密切。我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)曲折，海岸帶資源豐富，開展海岸帶地區(qū)大比例尺測(cè)圖，可以為海岸帶開發(fā)利用與保護(hù)提供基礎(chǔ)資料，具有重要意義。海岸帶測(cè)繪最初采用傳統(tǒng)地形測(cè)量方式，效率低下；后利用衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，成本高，現(xiàn)勢(shì)性和分辨率都受到極大限制[1]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，為海岸帶及海島礁等大比例尺測(cè)繪提供了新的技術(shù)手段[2-6]。無(wú)人機(jī)作為一種新型遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)，飛行操作智能化程度高，可按預(yù)定航線自主飛行、攝影，實(shí)時(shí)提供遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和低空視頻數(shù)據(jù)，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、分辨率高、便捷、成本低、安全等特點(diǎn)[7]。

地形復(fù)雜或遠(yuǎn)離大陸的海島海岸帶地區(qū)缺少控制點(diǎn)，一般采用GNSS+IMU輔助空中三角測(cè)量技術(shù)，以減少對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴[8-9]。該方法利用GNSS獲取攝站三維坐標(biāo)，利用IMU精確獲取航攝儀姿態(tài)變化參數(shù)，在地面布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)參與空三，在提高作業(yè)效率的同時(shí)，滿足精度要求[10-11]。

天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)采用無(wú)像控模式，只需在測(cè)區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的檢核點(diǎn)即可，徹底擺脫了地面控制點(diǎn)對(duì)航空攝影測(cè)量的束縛，進(jìn)一步提高了效率[12-14]。本文利用天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)在即墨市小島灣海岸帶區(qū)域進(jìn)行了1∶1000比例尺航攝試驗(yàn)，取得了該區(qū)數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像，并且對(duì)成果精度進(jìn)行了分析。

1 天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)的組成

天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)主要由飛機(jī)平臺(tái)、航攝傳感器、動(dòng)態(tài)差分系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理軟件等組成。

天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)機(jī)身采用超輕泡沫材料，平臺(tái)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 天狼星PRO航空測(cè)圖平臺(tái)主要性能參數(shù)

1.2 航攝傳感器

無(wú)人機(jī)內(nèi)置富士XM-1相機(jī)，18.5 mm定焦鏡頭，APS-C X-Trans CMOS傳感器，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3 差分定位系統(tǒng)

天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)的差分定位系統(tǒng)由機(jī)載GNSS接收機(jī)、地面GNSS基站、數(shù)據(jù)發(fā)射器和GNSS數(shù)據(jù)差分處理單元組成。通過(guò)GNSS實(shí)時(shí)差分技術(shù)，實(shí)時(shí)解算飛機(jī)在空中的精確位置。GNSS接收機(jī)采用雙頻技術(shù)，使得定位精度大大提高。

表2 內(nèi)置富士XM-1相機(jī)主要性能參數(shù)

1.4 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)由地面遙控和自駕兩大部分組成。在飛機(jī)起飛拋出后，飛機(jī)根據(jù)計(jì)劃測(cè)線計(jì)算飛行角度和爬升高度，通過(guò)機(jī)載自駕系統(tǒng)控制飛行。回收過(guò)程由地面人員通過(guò)地面控制中心進(jìn)行遙控，或進(jìn)行輔助干預(yù)，這樣做更有利于飛行安全。隨機(jī)自帶的飛控軟件為MAVinci Desktop，利用它可以自動(dòng)生成航線，編輯飛行計(jì)劃，還可進(jìn)行飛行監(jiān)控。

原轉(zhuǎn)向架電磁鐵梁和防側(cè)滾梁壁厚分別為25 mm、12 mm。為提高1階固有頻率，增加電磁鐵梁及防側(cè)滾梁的壁厚至30 mm、15 mm。通過(guò)測(cè)試得到改進(jìn)的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)Z方向的1階固有頻率為8.3 Hz，比原轉(zhuǎn)向架提高了32.4%。對(duì)改進(jìn)后中低速磁浮列車轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。在主梁中間位置，即點(diǎn)28處垂直安裝壓電加速度計(jì),轉(zhuǎn)向架通電后處于懸浮狀態(tài)，同時(shí)轉(zhuǎn)向架以80 km/h的速度沿著試驗(yàn)軌道運(yùn)行一小段時(shí)間，此時(shí)采集測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。圖9為截取1 s的振動(dòng)加速度信號(hào)。

1.5 數(shù)據(jù)后處理軟件

AgiSoft PhotoScan Pro數(shù)據(jù)后處理軟件與MAVinci Desktop完美銜接，可直接讀取和處理由MAVinci Desktop生成的數(shù)據(jù)處理工程文件。自帶平差系統(tǒng)，無(wú)需借助第三方軟件，自動(dòng)化生成并匹配密集點(diǎn)云，對(duì)影像自動(dòng)拼接、勻色和鑲嵌，可自動(dòng)化智能化處理，一步直接導(dǎo)出DOM、DSM和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于青島市藍(lán)色硅谷核心區(qū)小島灣北部，東起國(guó)家深海基地管理中心，西至青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，東西全長(zhǎng)6.5 km，南北最寬處1.9 km，總面積5.4 km2。測(cè)區(qū)北面為高山，南面為沙灘、礁石和養(yǎng)殖區(qū)，地勢(shì)起伏大，地貌類型多樣。

2.2 航線布設(shè)

采用針對(duì)地形模式的偏航角模式，風(fēng)偏航角設(shè)置為121°，為控制相片質(zhì)量，最大橫滾角和最大俯仰角均設(shè)為10°。地面采樣距離為8 cm，航向重疊度80%，最小航向重疊為70%，旁向重疊60%，飛行高度為311 m。地面安全高度為171 m。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置，軟件自動(dòng)將測(cè)區(qū)劃分為3個(gè)子測(cè)區(qū)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在MAVinci Desktop軟件中分別生成3個(gè)架次的匹配文件，選擇多個(gè)匹配導(dǎo)出到AgiSoft PhotoScan Pro軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理參數(shù)設(shè)置如下：GPS類型DGPS_RTK，GPS默認(rèn)精度2 cm，高對(duì)齊方式，高密集點(diǎn)云模式，地面采樣距離根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)設(shè)置為10 cm。檢查參數(shù)設(shè)置無(wú)誤后選擇“無(wú)地面控制點(diǎn)處理”模式。

試驗(yàn)區(qū)生成的數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)如圖1和圖2所示。

圖1 數(shù)字表面模型

2.4 精度分析

在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)12個(gè)檢核點(diǎn)，將實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)與圖上三維坐標(biāo)作差來(lái)確定各點(diǎn)的位置誤差，最終評(píng)定整個(gè)測(cè)區(qū)數(shù)字正射影像圖的平面精度和數(shù)字表面模型的高程精度，見(jiàn)表3。

由表3可知，DOM平面中誤差為6.1 cm，最大較差為20.2 cm；DSM高程中誤差為11.9 cm，最大較差為18.2 cm。符合1∶1000比例尺測(cè)圖精度要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)及GNSS定位技術(shù)的發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)在無(wú)像控點(diǎn)模式下開展大比例尺測(cè)圖已是大勢(shì)所趨。本文以天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)為例，在海岸帶地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用研究，對(duì)航攝成果的精度進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 天狼星PRO航空測(cè)圖系統(tǒng)采用無(wú)像控作業(yè)模式在海岸帶地區(qū)進(jìn)行1∶1000比例尺測(cè)圖的精度符合規(guī)范要求。另外該型無(wú)人機(jī)體積小、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠、不受起降場(chǎng)地和像控點(diǎn)限制，特別適合不易布設(shè)像控點(diǎn)區(qū)域測(cè)圖。下一步將探索該型無(wú)人機(jī)在海島礁特別是遠(yuǎn)離大陸的無(wú)控制點(diǎn)海島的應(yīng)用研究。

(2) 海岸帶地區(qū)瀕臨海洋，由于海水的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致海水紋理不固定，部分像片及其像主點(diǎn)落水后，空三加密過(guò)程中無(wú)法確定正確的連接點(diǎn)，最終會(huì)影響成果的精度。下一步將開展相關(guān)研究，平差前剔除海面配準(zhǔn)錯(cuò)誤的連接點(diǎn)，進(jìn)一步提高海岸帶地區(qū)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量成果的精度，為開展1∶500無(wú)像控?zé)o人機(jī)航攝工作做技術(shù)準(zhǔn)備。

(3) 在后期的工作中，將研究DSM或點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精細(xì)化處理方法，將DSM轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)DEM成果。

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中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(2015G16)

劉森波(1986—)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)繪。E-mail:liusenbo@fio.org.cn