傳統的航空航天測量技術因成本高、現勢性不強、受天氣條件影響大等原因，一般用于大范圍中小比例尺測量任務。而基于無人機平臺的航空測量技術具有成本低、機動靈活、時效性強的特點，可以快速高效地獲取高分辨率影像、數字高程模型DEM 和數字正射影像圖DOM 等數字產品，在大比例尺測圖、災害應急處理、地理國情監測等領域擁有獨特優勢，正逐步成為空間地理信息獲取的重要手段。
目前，基于無人機的大比例尺航空攝影測量需要布設一定數量的像控點，工作強度大，精度低。針對像控點布設的缺陷與不足，本文基于天狼星無人機航測系統，探討了在無控制點的前提下，利用固定翼無人機進行1∶500 數字測圖的流程和關鍵技術，并通過工程實例對天狼星無人機航測系統在1∶500 測圖中的可行性進行探究。
天狼星無人機航測系統
天狼星無人機航測系統主要由無人機飛行平臺、飛行控制系統、影像傳感器和地面監控系統組成。
1.1 無人機飛行平臺
該飛行平臺是手拋式固定翼無人機，具體參數如表1 所示。
1.2 飛行控制系統
飛行控制系統包括機載自主控制和地面人工控制兩大部分。無人機的升空過程和回收過程由地面人員通過地面控制系統進行控制，飛機到達預先設定的高度后，通過機載自動控制系統進行自動駕駛，并可以在兩種模式下自由切換。
機載控制系統的POS 通過RTK 動態差分技術和IMU 慣性測量裝置直接在航測飛行過程中實時測定無人機的位置和姿態，并由數據通信系統進行傳輸，通過地面控制平臺顯示飛行姿態、速度、高度、方位等相關參數。
1.3 影像傳感器
天狼星無人機搭載的傳感器為普通非量測數碼相機松下GX-1，相機焦距為14 mm;定焦1 600 萬像素;相機快門速度在靜態模式下為60～1/4 000 s;閃光同步速度為1/160 s;在動態模式下分別為1/30～1/6 000 s、1/25～1/6 000 s。
無人機大比例尺測圖關鍵技術
2.1 自適應航線設計
天狼星無人機航測系統配套的MAVinci Desktop 軟件包含面向全球的影像數據，在確定目標測區后，軟件可以自動下載測區影像。通過在影像上添加角點定義飛行范圍，輸入地面采樣距離GSD 即可自適應地設定飛行高度和重疊度等技術參數，實現航線的自動規劃。針對高差起伏大的區域，采用航高固定不變的飛行計劃，則地面采樣距離和重疊度不能達到要求，而天狼星無人機可以根據地形起伏自動調整航高，不僅確保設計的地面采樣距離和重疊度保持不變，同時可以自動避障，保證了飛行安全。
自適應航線設計以天狼星的飛行參數為基礎，根據成圖比例尺選擇地面采樣距離，進而確定航高：
式中，H 為航高;f 為物鏡焦距;α 為像元尺寸;GSD為地面采樣距離。
此外，航線設計的其他參數如下式所示：
式中，l 為像片的像幅尺寸，單位為m;L 為l 對應的地面距離，單位為m;m 為攝影比例尺分母;p% 為設計的航向重疊度;B 為攝影基線長度，單位為m。
對于大范圍測區，航線設計需要綜合考慮測區面積、地形地貌、續航能力等諸多因素，對此，MAVinci Desktop 可以對測區進行自動分割，合理劃分架次，不僅可以提高效率，還能獲取高質量航攝影像。
2.2 鏡頭畸變糾正
天狼星無人機搭載的是非量測相機松下GX-1，在攝影成像過程中，由于存在鏡頭畸變，使得實際像點位置坐標偏離理想像點坐標。該相機焦距固定，則鏡頭畸變屬于系統誤差，對每張像片產生同樣的影響。本文利用直接法進行像片的畸變糾正，即將原始像片上的每個像元按照畸變改正模型進行改正，計算出改正后的對應像點坐標，并保持灰度值不變。畸變糾正模型如下：
式中，(x, y) 表示無畸變像點在以左上角為原點的像平面坐標系下的坐標;(x0, y0)表示像主點坐標;(xu, yu) 表示以像主點為原點的像平面坐標系下的坐標;(xd, yd) 表示畸變糾正后的像點坐標;K1, K2, …, Kn 表示徑向畸變參數，由相機標定獲得;P1, P2, …, Pn 表示切向畸變參數，由相機標定獲得;表示(xu, yu) 的徑向距離。
2.3 POS 輔助空中三角測量
在傳統航測中，像控點的布設是航測的基礎。不論是飛前布控還是飛后布控，都占用大量的人力物力，同時，控制點的布設方式和穩定性以及內業刺點都直接影響著測量結果的精度。無人機所搭載的非量測相機，鏡頭畸變大，且所獲取的影像像幅面較小，單幅影像地面覆蓋范圍有限，導致空三解算需要更多的控制點來保證精度。
POS 輔助空中三角測量技術的出現，有效解決了低空無人機攝影測量對地面控制點的依賴問題。不同于傳統的航測流程，天狼星無人機航攝系統集成了高更新頻率的機載RTK 和IMU 慣性測量單元，在航空攝影的同時，100Hz 的實時差分RTK 模塊通過載波相位差分技術，將一臺GNSS 接收機安置在基準站，與機載接收機進行同步觀測，根據基準站的已知坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并對機載接收機的定位結果進行改正，從而獲取無人機拍攝每張像片時的精確坐標，使得每張像片的位置信息實現和地面控制點同樣的功能。同時，通過慣性測量單元IMU 來感測無人機的加速度、旋轉角度等，經過積分運算，實時測定無人機的位置姿態信息。將GNSS 的精確坐標和IMU 的姿態參數進行聯合后處理，求取每張像片的6 個高精度外方位元素，從而實現無控制點空中三角測量。
POS 輔助光束法區域網平差包含三類觀測值：像點坐標觀測值、GNSS 接收機測定的攝站點坐標觀測值和IMU 測定的無人機姿態角觀測值。同時，考慮加入GNSS 和IMU 觀測值包含的與航攝飛行時間t 成線性關系的系統誤差，建立影像外方位元素與POS 數據的函數關系，如式(4)、(5)：
式中，[Xs Ys Zs]T 表示實際曝光時刻投影中心的坐標;R 表示影像外方位元素的3 個角元素φ、ω、κ 所構成的正交變換矩陣;[x y -f ]T 表示像點在像空間坐標系下的坐標值;λ 是投影系數，在解算過程中相互抵消;[X Y Z]T 表示像點在像空間輔助坐標下的坐標值;[X Y Z]T GNSS 表示相機曝光時刻記錄的攝站點GPS 位置;[x y z]T GNSS 表示GPS 天線相位中心在像空間坐標系下的坐標值;[aX aY aZ]T 和[bX bY bZ ]T分別代表GPS 線性偏移系統誤差改正參數中固定部分和隨時間變化部分;t 表示該曝光點的曝光時刻，t0 表示參考時刻。
應用實例
3.1 測區概況
某測區是東西長約4 km、南北寬約1 km 的近似矩形區域。測區分布有居民地、公路、河流、農田、植被密集區、公共設施等，具有代表性，整體地勢平坦，平均海拔25 m，空域良好，天氣晴，微風，適合無人機進行低空攝影測量。本次工程平面坐標系統為1954 年北京坐標系，高程系統為1985 國家高程基準。
3.2 航測流程
天狼星無人機航測系統進行大比例尺測圖主要包括影像獲取和數據處理兩個環節，基本流程如圖1所示。
3.2.1 影像獲取
根據測區概況，用MAVinci Desktop 軟件在GoogleEarth 影像上制定飛行計劃，覆蓋飛行區域，在實地踏勘后對飛行計劃進行調整與優化。本次航飛分割為兩個架次，航線總長約32 km;設定地面采樣距離為5 cm，航高為194 m，航向重疊80%，旁向重疊60%。航線設計如圖2 所示。
由于天狼星無人機集成了高精度的POS 系統，在航攝過程中可以直接獲取每張像片的外方位元素，所以無需布設像控點，僅需在已知點架設基準站即可開始無人機航空攝影。
3.2.2 數據處理
天狼星無人機航測系統首先利用MAVinci Desktop軟件對航測像片進行畸變糾正、勻光勻色和影像匹配等預處理。然后導入Agisoft Photoscan Pro 軟件對影像匹配數據進行后處理。依據攝影測量的原理，利用航攝像片、POS 數據和RTK 基準站的坐標數據，通過嚴密光束法區域網平差計算出每張像片的位置、姿態等6 個外方位元素，完成空三加密，進而通過建立密集點云生成格網和紋理，獲得高分辨率的DOM(圖3)和DEM(圖4)，最后對DOM 進行矢量化，利用DEM生成等高線，兩者疊加，編繪制作線劃圖。
3.3 數據檢核與精度評定
為了探究天狼星無人機航測系統在大比例尺測圖中的可行性和可靠性，本工程在測區內均勻選取了50 個具有明顯特征的地面檢核點，包括房角、墻角、地面坎角等，并采用GNSS RTK 進行坐標采集，然后與影像上對應點的量測坐標進行對比，計算x、y、h 3 個方向的較差，并根據中誤差公式求得平面中誤差和高程中誤差。其中，同名點的平面坐標通過DOM數據直接量測，而高程則通過DOM 套合DEM 生成數字表面模型DSM，并在DSM 上量測同名點的高程值，如表2。
由此可知：
1)x 和y 方向坐標偏差整體趨勢一致，中誤差基本相等，且均低于地面采樣距離，達到了各方向坐標偏差約等于地面采樣距離的預期。
2)檢核點平面點位較差最大值為0.059 m，最小值為0.019 m，平面點位中誤差為0.049 m，根據規范《基礎地理信息數字成果1∶500、1∶1 000、1∶2000 數字線劃圖》，在平地、丘陵地區，1∶500 比例尺的數字正射影像圖明顯地物點的平面位置中誤差不應大于0.3 m，所以，平面精度遠遠高于規范要求。
3)檢核點z 方向坐標偏差整體大于x 和y 方向的坐標偏差，最大值為0.079 m，最小值為0.005 m，高程中誤差為0.059 m，說明高程精度略低于平面精度。
根據規范《基礎地理信息數字成果1∶500、1∶1000、1∶2000 線劃圖》，在平地區域，1∶500 比例尺數字高程模型檢核點的中誤差不應大于0.2 m，所以，高程精度同樣可以達到規范要求。
4)分析發現，占88% 的檢核點的影像量測高程值高于實測高程，原因可能是在數字表面模型DSM 上進行高程值量測時，有植被覆蓋的區域沒有準確地切合到地面，未能反映地表的真實高程值。
結語
本文通過工程實例表明，在平原地區由天狼星無人機航測系統得到的DEM、DOM 能夠達到1∶500 數字測圖的要求，驗證了其在免像控大比例尺地形圖測繪中的可行性。與傳統無人機測圖相比，不僅提高了測圖精度，更提高了工作效率。但是，本文所選測區面積較小，且地勢較為平坦，在接下來的工作中，會繼續選擇更大范圍、地形起伏大的區域進行航測實驗，以提高天狼星無人機航測系統的普適性。
隨著無人機技術的發展，國家低空空域有序開放，集成了高精度POS 系統的免像控無人機航測技術必將成為空間地理信息獲取的重要手段，更廣泛地應用于大比例尺地形圖測繪、災害應急處理、智慧城市建設等領域。
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