基于無人機遙感平臺的鐵路測繪航空攝影若干問題探討

肖蘇勇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

近年來，無人機在航空攝影應用方面得以普及，但是對機載測量部分的研究較少。結合無人機機載GPS/BD輔助航攝系統在當陽至遠安鐵路及長贛高鐵測繪的實際應用，對利用無人機作為遙感平臺進行鐵路測繪航空攝影的若干問題進行探討，以期能夠為鐵路乃至公路測繪航空攝影在大比例地形圖上的應用提供借鑒。

1 機載GPS/BD輔助航攝系統簡介

利用固定翼遙感平臺(無人機、輕型機、運輸機)搭載框幅量測數碼相機，無需架設地面基站，加載機載GPS/BD輔助航攝技術，進行大比例航空攝影(見圖1)。

利用安裝在飛機上的雙頻GPS/BD接收機連續觀測記錄GPS/BD衛星信號，同時獲取航攝儀快門打開至最大的脈沖時刻與快速星歷事后處理航攝儀曝光瞬間的空間三維坐標，將其視為帶權觀測值引入攝影測量區域網平差中，采用相同的數學模型來整體確定地面目標點位和相片方位元素，并對其質量進行評定。

圖1 無人機機載GPS/BD輔助航空攝影系統

2 小型航攝系統

2.1 遙感平臺

機載GPS/BD輔助空三需要測定相機在空中曝光瞬間的3個線元素。因此，在飛機靜止時，GPS/BD相位中心與曝光中心存在三個偏移分量u，v，w。飛機在飛行過程中，會產生三個姿態角，在曝光瞬間，這三個姿態角在坐標傳遞過程中形成一個旋轉矩陣R。GPS/BD相位中心與曝光中心的位置關系如圖2所示。

圖2 GPS/BD相位中心與曝光中心在空中的位置關系

公式(1)描述了如何將GPS/BD測定的空間位置傳遞到相機曝光中心。

(1)

2.2 傳感器

傳感器是獲得二維像平面坐標的測量元件，其相機內方位元素(f，x0，y0)的穩定以及相機鏡頭畸變差的有效消除至關重要。考慮到機載GPS/BD輔助空三的需要，相機曝光快門開啟到最大時向GPS/BD發送一個高頻脈沖(EventMark)并記錄到GPS/BD文件，之后通過該時刻內插出每一攝站位置。EventMark時刻的準確性影響到攝站坐標的精度，必須對相機脈沖信號進行標定，使其處于相機快門打開與關閉的中間時刻。

一億像素級的工業相機在其物理結構上滿足上述需要，但還需對其內部控制進行軟件修正。本套系統采用的工業相機由AIC-Lover軟件進行修正，可滿足航攝儀的要求。

2.3 飛行姿態

測繪航空攝影是近似垂直航空攝影(見圖3)，由于攝影傾角仰俯(航向φ角)和測滾(旁向ω)分量的存在，在一定程度上造成立體模型的高程面扭曲(見圖4)。為了使從像方到物方的坐標變換滿足測量規范限差的要求，一般要求攝影傾角α小于3°。

圖3 攝影傾角

圖4 航攝傾角對立體模型高程面的扭曲

為了有效限制攝影傾角對立體模型造成的高程扭曲，必須采用三軸姿態校正裝置對無人機航空攝影進行校正(見圖5)。

圖5 小型三軸穩定座架

2.4 機載GPS/BD輔助空三

采用載波相位差分動態GPS/BD定位技術可以達到厘米級精度并確定GPS/BD天線相位中心的坐標，但坐標值包含有隨時間變化的線性飄移系統誤差；為獲得國家統一坐標系或局部坐標系中的加密成果，需要有一定數量的地面控制點(GCP)。最好在區域的四角布設4個平高點；如果需要逐條航線改正GPS/BD攝站坐標的系統漂移誤差，則區域的兩端還應布設兩排高程控制點或加攝兩條帶有GPS/BD攝站坐標的垂直構架航線(見圖6)。

圖6 像控布設示意

Imagnation將時間作為測量變量，進行整體平差，將攝影測量拓展到四維空間，配合構架航線，可有效地改正GPS/BD存在的系統誤差累積，大幅度提高航測高程精度。

3 應用案例

3.1 案例一

當陽至遠安鐵路是一條山區鐵路，貫通方案長63.3 km，線路曲線半徑小，高差起伏大，植被茂密。若采用傳統固定翼有人駕駛飛行平臺搭載航攝儀的航空攝影方式，在保證地面分辨率的前提下，飛行的安全高度無法保證，且測區中植被茂密，可選的像控點有限。鑒于以上情況，選用無人機機載GPS/BD輔助航攝系統進行航空攝影并布設構架航線，共飛行測段9個，航線21條，共計240 km(由于其像幅較小，大部分采用雙航線或多航線)。利用自主研發的Imagnation機載GPS/BD輔助空三系統，共布設28個地面外控點，18個加密檢查點。其中，第8測段布點時未按該空三系統要求的布點方式進行，故采用其它空三軟件進行處理。空三加密成果如表1。

表1 像控點及檢查點加密精度統計 m

為檢查該項技術的可靠性，在測區中用RTK方式實地測量150個散點(包含地物點和高程點)，對所生產的地形圖進行精度統計(見表2)。

表2 地形圖檢查點數據統計

3.2 案例二

長贛鐵路某段收集的影像資料無法滿足成圖要求。選用無人機機載GPS/BD輔助航攝系統進行航空攝影，線路方案長119.5 km，采用構架航線，共設計飛行測段10個，航線28條，計280 km(采用雙航線的方式)。利用自主研發的Imagnation機載GPS/BD輔助空三系統，地面共布設33個外控點，22個檢查點。空三加密成果如表3。

表3 像控點及檢查點加密精度統計 m

在測區中用RTK方式實地測量200個散點(包含地物點和高程點)，對所生產的地形圖進行精度統計(見表4)。

表4 地形圖檢查點數據統計

若采用傳統固定翼有人駕駛飛行平臺搭載數碼航攝儀的航空攝影方式，在保證地面分辨率的前提下，雖然航線數可相應減少，但外控點測量的工作量會大大增加。按《鐵路工程攝影測量規范》數字攝影外控點的布設要求，當陽至遠安鐵路正線加比較線共113.3 km，外控點布設應為70個左右；長贛鐵路某段正線加比較線共119.5 km，外控點布設應為76個左右。而采用無人機遙感平臺技術，外控點的布設大為減少：當陽至遠安鐵路僅布設了28個外控點；長贛鐵路僅布設了33個外控點，生產效率大幅提高。從飛行情況看，在保證地面分辨率優于0.2 m的前提下，傳統數碼航空攝影(數碼航攝儀焦距90 mm)飛行相對航高應為3 600 m左右，而且需要有一定跑道長度的機場進行起降；航空攝影時又存在空域管制、手續復雜、對機場和天氣條件依賴性較大、成本較高、航攝周期長等問題；而無人機遙感平臺技術的航空攝影飛行相對航高僅為1 500 m，只需一空曠場地即可彈射起飛，機動靈活，操作性強，對天氣的要求相對較低，航攝周期較短。

4 結論

采用無人機機載GPS輔助航空攝影，可大幅縮短攝影周期；航測外業控制點布設大幅減少，空三加密成果及地形圖散點檢查精度均滿足《鐵路工程攝影測量規范》平面及高程要求，降低了測量成本，經濟效率得到極大提高，為全面推廣該項技術提供了真實可靠的各項生產數據。

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