無(wú)人機(jī)搭載飛思相機(jī)在公路測(cè)量中的應(yīng)用研究

王俊 王夢(mèng)華

（河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003）

1 引言

當(dāng)前，我國(guó)公路建設(shè)處于快速發(fā)展階段，公路設(shè)計(jì)面臨時(shí)間緊、任務(wù)重、路線方案時(shí)有變更等問(wèn)題。傳統(tǒng)航空攝影空域申請(qǐng)復(fù)雜，無(wú)法滿足公路設(shè)計(jì)對(duì)工期的要求。而無(wú)人機(jī)航空攝影具有高分辨率、受氣候條件限制少、機(jī)動(dòng)性好、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在公路勘測(cè)項(xiàng)目中的應(yīng)用越來(lái)越多[1]。當(dāng)前大部分無(wú)人機(jī)搭載的相機(jī)為普通單反相機(jī)，航攝中存在飛行效率低、影像像幅小、畸變大、重疊度不規(guī)則、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響了后期成圖的質(zhì)量和精度。本文研究采用的無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)及處理系統(tǒng)極大地改善了目前存在的這些問(wèn)題，對(duì)無(wú)人機(jī)在大范圍、高精度測(cè)量方面的應(yīng)用有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2 航攝平臺(tái)與處理系統(tǒng)介紹

2.1 無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)

本文研究采用的無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)為成都縱橫垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)大鵬CW-30。CW-30為雙尾撐布局、后推式油動(dòng)垂直起降，是專為大面積任務(wù)范圍設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，采用多旋翼與雙尾撐固定翼相結(jié)合的方式，兼具航時(shí)長(zhǎng)、速度快、載荷大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)，最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間已突破6小時(shí)，最大任務(wù)載荷達(dá)到6公斤。CW-30主要應(yīng)用于大面積、高效率、長(zhǎng)航時(shí)的飛行任務(wù)，尤其適用于每次飛行面積在150平方公里內(nèi)的項(xiàng)目。由于CW-30的機(jī)身尺寸更大，任務(wù)載荷能力更強(qiáng)，因此可供選擇搭載的大尺寸任務(wù)設(shè)備就更多。除常見(jiàn)的單反相機(jī)外，CW-30還能夠搭載激光雷達(dá)、多拼相機(jī)、光電吊艙以及高光譜、多光譜成像設(shè)備，服務(wù)更多的領(lǐng)域。

2.2 攝影系統(tǒng)

平臺(tái)搭載的攝影系統(tǒng)為飛思IXU-RS1000，是飛思航空攝影相機(jī)系列中的旗艦產(chǎn)品，像幅大小達(dá)到1億像素。內(nèi)置的CMOS傳感器和創(chuàng)新的電磁中心葉片式快門(mén)，使IXU-RS1000有著更快的捕獲速率和近乎為零的拍攝延遲速度，保證了專業(yè)航空攝影相機(jī)所要求的高精度影像質(zhì)量。相機(jī)獲取數(shù)據(jù)采用16位存儲(chǔ)，能夠在較暗環(huán)境下獲取地物細(xì)節(jié)，通過(guò)系統(tǒng)搭配的IX CAPTURE軟件，操作人員可以實(shí)時(shí)跟蹤以保證影像質(zhì)量達(dá)到最佳效果。使用IXU-RS1000，可確保用戶在同一飛行高度擁有更高的地面分辨率，或者在相同的地面分辨率-GSD下，擁有更大的覆蓋面積，且容易與常用的飛行管理系統(tǒng)和GPS/IMU接收器集成。

2.3 處理系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)空三加密采用的是天工GodWork軟件。這是一款成熟、便捷、高效的空三軟件，支持通用航空影像、低空影像、多相機(jī)影像及傾斜影像的空中三角測(cè)量解算，尤其對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)測(cè)區(qū)大小、形狀、重疊度沒(méi)有嚴(yán)格限制采用智能化平差技術(shù)、大高差大偏角影像立體匹配技術(shù)、逐像素級(jí)點(diǎn)云獲取技術(shù)，適用于大偏角影像、大高差地區(qū)影像的解算。

3 技術(shù)方案與精度分析

3.1 技術(shù)方案

本項(xiàng)目是新疆某地的公路項(xiàng)目，帶寬300米，航空攝影地面分辨率為7厘米左右，航向重疊70%，旁向重疊40%。由于地處西北荒漠低草地帶，飛行之前設(shè)計(jì)了布點(diǎn)方案，在地面上布設(shè)有L形靶標(biāo)，便于后期像控點(diǎn)測(cè)量。

通過(guò)航線規(guī)劃軟件在項(xiàng)目范圍內(nèi)規(guī)劃飛行軌跡，導(dǎo)入地圖后，根據(jù)設(shè)計(jì)的曝光點(diǎn)位，隔6～7條基線在道路兩側(cè)布設(shè)一對(duì)外業(yè)點(diǎn)，用作空三加密的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)。通過(guò)野外測(cè)量的方式獲取像控點(diǎn)坐標(biāo)。

飛行帶有GPS差分系統(tǒng)，飛行的同時(shí)在地面設(shè)置地面基站，差分固定率達(dá)到90%以上，后處理精度可以滿足GPS輔助空中三角測(cè)量的要求。基于后差分的GPS輔助定向技術(shù)，使得無(wú)人機(jī)攝影裝置能夠獲得比常規(guī)飛行更準(zhǔn)確的曝光時(shí)刻的外方位線元素[2]，能夠減少攝影測(cè)量空三加密對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴[3]。

3.2 空三加密

針對(duì)低空航攝影像旋偏角大、重疊度不規(guī)則的特點(diǎn)，GodWork軟件采用SIFT特征匹配[4]與金字塔影像匹配相結(jié)合的轉(zhuǎn)點(diǎn)策略，自動(dòng)提取測(cè)圖航線間的影像連接點(diǎn)；采用POS輔助影像匹配策略[5]，進(jìn)行密集同名點(diǎn)匹配。再根據(jù)光束法平差，自動(dòng)剔除誤差較大的連接點(diǎn)，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后，得到航向、旁向連接均勻分布的自由網(wǎng)平差結(jié)果。最后將地面控制點(diǎn)導(dǎo)入空三加密系統(tǒng)，通過(guò)雙目立體視覺(jué)方法精確量測(cè)地面像控點(diǎn)位置。通過(guò)GPS輔助控制網(wǎng)平差獲取影像的精確外方位元素，并輸出空三精度報(bào)告。

軟件自動(dòng)化程度高，“一鍵空三”功能能夠在輸入必要數(shù)據(jù)，如原始影像、相機(jī)主距、像元大小、導(dǎo)航POS或者差分?jǐn)?shù)據(jù)的情況下，自動(dòng)完成自由網(wǎng)平差解算，不需要任何人工干預(yù)。針對(duì)相機(jī)存在畸變的情況，采用自檢校技術(shù)解算出準(zhǔn)確的相機(jī)主距和畸變參數(shù)，在完成控制網(wǎng)平差后，輸出無(wú)畸變的影像數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)用于后期3D產(chǎn)品的生產(chǎn)。

3.3 精度分析

根據(jù)外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量情況，選擇三種布點(diǎn)方案進(jìn)行空三加密。第一種方案采用控制點(diǎn)平差，不帶差分GPS數(shù)據(jù)，12條基線布設(shè)一對(duì)控制點(diǎn)；第二種方案采用GPS差分輔助平差，12條基線布設(shè)一對(duì)控制點(diǎn)，其余作為檢查點(diǎn)；第三種方案采用GPS差分輔助平差，24條基線布設(shè)一對(duì)控制點(diǎn)，其余作為檢查點(diǎn)。三種方案精度統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1 不同布點(diǎn)方案的精度統(tǒng)計(jì)（單位：米）

通過(guò)統(tǒng)計(jì)可以看出，幾種面點(diǎn)方案的平面和高程精度均滿足《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》（GB/T 23236—2009）[6]的要求，可以用于1∶500地形圖測(cè)繪。

公路測(cè)量的另一項(xiàng)工作是測(cè)量橫斷面。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)線路中線上利用GPS測(cè)量的野外點(diǎn)，用航攝立體采集的方式獲取的斷面高程中誤差應(yīng)滿足公式（1）的要求：

高程中誤差≤h/100+L/200+0.1 （1）

其中，L為測(cè)點(diǎn)至中樁的水平距離（m），h為測(cè)點(diǎn)至中樁的高差（m）。

從上面的精度分析看，方案二可以基本滿足設(shè)計(jì)要求，方案一和方案三達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

采用CW-30垂直起降無(wú)人機(jī)搭載飛思相機(jī)進(jìn)行航空攝影，航時(shí)長(zhǎng)，覆蓋范圍大，在航攝效率上較普通單反相機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)。由于飛思相機(jī)鏡頭畸變小，對(duì)空三加密和立體測(cè)圖影響較小，通過(guò)自檢校技術(shù)消除畸變后，不會(huì)出現(xiàn)普通單反相機(jī)在測(cè)圖過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的模型接邊差、精度不均勻等問(wèn)題。由于像幅大，在后期立體測(cè)圖、DEM和DOM生產(chǎn)中效率均高于普通單反相機(jī)。通過(guò)在飛行平臺(tái)上安裝差分GPS，經(jīng)后處理解算，可以參與空三加密平差處理，減少外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)，精度能夠滿足1∶500地形圖測(cè)量的需要，按照一定的布點(diǎn)方案，也能夠滿足道路斷面測(cè)量的要求。

[1]鄭亮,王刊生.稀少控制條件下無(wú)人機(jī)空三加密及在公路地形測(cè)圖中的精度分析[J].測(cè)繪通報(bào),2017(11):139-143.

[2]吳波濤,劉斌,李云帆,等.差分GPS無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)測(cè)試及分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2017(1):142-144.

[3]袁修孝,高宇,鄒小容. GPS輔助空中三角測(cè)量在低空航測(cè)大比例尺地形測(cè)圖中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版, 2012, 37(11):1289-1293.

[4]LOWE D G.Object Recognition from Local Scale-Invariant Features[C].International Conference on Computer Vision,Corfu,Greece,1999.

[5]袁修孝,季順平,吳珍麗.POS輔助航空影像匹配方法:中國(guó),ZL 200810246336.0[P].2011-08-24.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范: GB/T 23236—2009 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.