基于低空無人機航攝系統(tǒng)試驗分析研究

陳莉

摘 ? 要 ?針對低空無人機航攝系統(tǒng)工作效能與測量精度方面的問題，筆者所在團隊實現(xiàn)了一套無人機航攝系統(tǒng)，在新疆某地區(qū)開展了航攝試驗，對無人機航攝系統(tǒng)獲取的航攝影像平面精度及測高精度進行評估，結(jié)果表明，成像結(jié)果可以滿足 1： 1000 地形圖測圖的平面精度要求。

關(guān)鍵詞 ?無人機;航攝系統(tǒng);大比例尺測圖

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： ?In view of the efficiency and measuring accuracy of the low-altitude unmanned aerial photography system， the author team implements a set of Unmanned Aerial Vehicle（UAV）photography system carried out in a region of XinJiang. Through evaluating the plane and elevation accuracy of the aerial experiment on the UAV photography system， the results show that the imaging results can meet the 1：1000 topographic mapping accuracy requirement.

Key words： Unmanned Aerial Vehicle （UAV）; Aerial Photography System; Large-Scale Mapping

1 ? 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，無人駕駛飛機（簡稱無人機，Unmanned Aerial Vehicle—UAV）在遠(yuǎn)程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的突破，成為近幾年興起的新型航空遙感手段，并被遙感界普遍認(rèn)為具有良好的發(fā)展前景。隨著我國信息化建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，無人機低空攝影平臺的研究在無人機總體設(shè)計、飛行控制、組合導(dǎo)航、中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、圖像獲取及傳輸系統(tǒng)、發(fā)射回收等諸多技術(shù)領(lǐng)域都有了長足進步，這些促使無人機低空數(shù)碼航攝的得以長足發(fā)展成為必然趨勢。無人機航攝系統(tǒng)具有起降方便、作業(yè)靈活、低成本等技術(shù)優(yōu)勢，是傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，具有靈活機動、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低等特點，在快速獲取小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害調(diào)查、土地利用動態(tài)、基礎(chǔ)地理信息更新等領(lǐng)域，有效地彌補了衛(wèi)星遙感和常規(guī)航空攝影的不足。

傳統(tǒng)無人機并非為航空遙感而設(shè)計，因此沒有考慮到遙感飛行的特殊性。此外，無人飛行器所搭載的非量測型相機存在較大的光學(xué)畸變，不能直接用于測繪生產(chǎn)，低空無人機航攝系統(tǒng)面臨著工作效能與測量精度兩方面的問題[1][2]。

本研究實現(xiàn)了一套中型固定翼無人機攝影測量系統(tǒng)，為了驗證該自主低空航攝系統(tǒng)的測量精度，設(shè)計試驗于新疆某區(qū)域進行實際航飛作業(yè)，布設(shè)一個具有大量地面控制點的飛行試驗場，采用無人機搭載非量測型數(shù)碼相機進行攝影作業(yè)，然后對航飛數(shù)據(jù)通過區(qū)域網(wǎng)空中三角測量的自檢法來計算全部系統(tǒng)誤差對像點位置坐標(biāo)的綜合改正值，從而反算確定內(nèi)方位元素和物鏡的光學(xué)畸變值，實現(xiàn)相機的高精度標(biāo)定，并將標(biāo)定結(jié)果用于測繪產(chǎn)品生產(chǎn)，以此來對無人機航空攝影測量系統(tǒng)在小區(qū)域大比例尺地形圖立體測繪中所能達(dá)到的精度水平進行評估和驗證。

2 ?航攝系統(tǒng)組成與平臺介紹

本試驗采用的航攝系統(tǒng)組成部分有：固定翼無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)和非量測型面陣CCD 數(shù)碼相機，以及地面站、遠(yuǎn)程無線通信裝置、地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等輔助設(shè)施。

2.1無人機飛行平臺

由于固定翼無人機具有飛行速度快，單架次覆蓋面積廣優(yōu)點，適合草原、荒漠地區(qū)的地形圖測繪，本系統(tǒng)采用固定翼無人機平臺。平臺主要采用重量輕、強度大的玻璃鋼和碳纖維復(fù)合材料加工而成，機長為2.15 m，翼展為3.1 m，最大起飛重量為20 kg，起飛速度為70 km/h，任務(wù)倉尺寸為 600 mm ×280 mm ×200 mm，任務(wù)載荷為 6 kg，飛行速度為 100～110 km/h，飛行高度≤4 km，續(xù)航時間為 3 h，控制半徑為≤20 km。

2.2飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)用于飛行控制與任務(wù)設(shè)備管理，由自駕儀、姿態(tài)陀螺、GPS 定位裝置、無線電遙控系統(tǒng)等組成[3] [4]，可實現(xiàn)飛機姿態(tài)、航高、速度、航向的控制及各個參數(shù)的傳輸以便于地面人員實時掌握飛機和遙感設(shè)備的飛行情況[5]。機上采用的 GPS 接收板為普通單頻無差分 GPS，導(dǎo)航精度約在±5 m 以內(nèi)，控制方式有人工遙控和自主飛行兩種。

2.3相機設(shè)備

本次試驗搭載的相機設(shè)備為 135 畫幅單反相機及廣角定焦鏡頭，鏡頭標(biāo)稱焦距 28mm; CMOS 傳感器尺寸：36mm ×24mm，最大像素：6048像素×4032像素; CMOS 傳感器像點尺寸：5.95μm。飛行過程中采取飛控系統(tǒng)控制快門定點曝光，將對焦環(huán)固定在無窮遠(yuǎn)處鎖定相機的內(nèi)方位元素，并采用固定光圈以保證統(tǒng)一物鏡畸變參數(shù)。

3 ?地面檢校場的建立

為保證無人機飛行試驗的安全性，該檢校場選址于新疆某荒漠地區(qū)，地理位置為80.2°E，36.97°N，所選檢校場總面積約為 3 km2，區(qū)域內(nèi)地形高差約90 m。該區(qū)域地貌類型比較單一，地表無明顯人工建筑及自然植被，區(qū)域這一特點可以保證軟件匹配生成的自由網(wǎng)精度均勻，減少影響平差結(jié)果的其他因素為了便于辨識及保證定位精度，減少像控點測點精度誤差，特意制作 50 個 90 cm × 90 cm 的人工控制點標(biāo)志，按照300 m 間距均勻布設(shè) 10×4個人工地標(biāo)作為平高控制點，另設(shè) 10 個人工地標(biāo)作為檢查點。此外，在檢校場選取某處地面紋理密集區(qū)域測出 14 個點的坐標(biāo)位置作為檢查點，以便后期驗證精度使用。檢校場地面點分布如圖1 所示，控制點及檢測點實地布設(shè)樣式如圖2所示。