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无人机航测大比例尺地形图测绘研制及应用

行业资讯 2017-10-23 17:59

  现在大都无人机因为体型小、载荷有限,多搭载轻小型非量测一般相机作为印象获取配备,而用于定位定姿等的辅佐设备一般分量和体积较大,难以集成于无人机低空遥感渠道上,约束了无人机航空摄影测量在大比例尺(如1∶500)测图中的应用。此外,因为非量测相机的内方位元素和镜头畸变系数不知道,光学体系不稳定,使得获取的航空印象难以满意大比例尺测图的精度要求。虽然无人机载GPS辅佐体系在我国西部中小比例尺地形图测绘中得到了广泛应用,但关于效果精度需求较高的项目,如出产1∶500—1∶1000大比例尺地形图,仍难以满意成图精度要求,因而,研发适用于大比例尺地形图测绘的无人机搭载渠道,具有成本低、易推广等特点,以及重要的实践应用价值。


  时间延迟积分(TDI)技术可大幅度提升航空影像的几何分辨率,为无人机低空摄影测制大比例尺地形图提供了良好的数据支持,而GPS硬件与低空摄影系统的集成也为无人机大比例尺航测系统提供了可靠的技术支撑。本文利用时间延迟积分(TDI)技术和GPS辅助系统,自主研制了相机稳定云台装置,并与无人机载GPS辅助航测系统进行集成,形成了无人机大比例尺航测系统,在“数字固始地理空间框架建设”项目中进行了1∶500地形图测绘。结果表明该系统在航摄过程中内方位元素表现稳定,获得的航摄影像质量高,成图精度满足国家相关规范要求,并大量减少了外业工作量,显著提高了生产效率。


  1、加装云台稳定装置的无人机载GPS辅助航测系统


  为战胜无人机载荷小、无法搭载大型量测型相机等问题,使之满意大比例尺航测需求,本文选用轻小型量测型相机,并研发了能够坚持航飞过程中相机姿势角安稳的三轴安稳云台设备,然后与定制的小型双频高动态GPS进行集成,组成印象获取体系。无人机航空摄影过程中,该GPS设备可高速、动态地观测并记载卫星信号,一起记载航摄相机曝光瞬间快门翻开至最大的脉冲时刻,并依据17h后的快速星历处理结果获取摄站点的空间三维坐标ꎬ作为后续空三加密的代权观测值参加平差。


  1.1加装三轴稳定云台的量测相机与GPS集成


  航空影像质量直接影响到大比例尺航测法成图精度,因此在航摄过程中,要求相机姿态稳定,内方位元素及光学畸变已知。本文对无人机相机搭载系统进行了设计和研发,集成了小型量测型相机和GPS辅助系统ꎬ具体过程如下:


  (1)选用工业相机作为影像获取装备,并在设计建立的室内外检校场,对相机的内方位元素、光学畸变进行了标定,利用共线条件方程进行定标的公式为:


  式中,Δx、Δy为畸变改正参数,考虑径向畸变、偏心畸变及仿射变形,最终改正模型为:


  式中,k1、k2、p1、p2为畸变系数,b1、b2为CCD像元的非正方形和CCD阵列的不垂直性引起的仿射和剪切畸交换系数。


  (2)规划研发了用于搭载小型相机的三轴安稳云台设备,实现了相机姿势角的操控,并对相机进行了姿势校对。不同比例尺航测成图对拍摄时的歪斜俯仰和侧滚姿势均有不同限制,无人机大比例尺航测时航高多处于500~1500m,气流改变大,飞翔姿势极易受气流影响,形成航倾角过大,然后影响成图精度,因此,为坚持相机在航飞过程中姿势安稳,本文自主研发了一种三轴安稳云台设备(如图1所示),能够实时操控航空拍摄时无人机的飞翔姿势,使取得的航空影像满意大比例尺测图的标准要求。

三轴稳定云台

  三轴稳定云台


  (3)在稳定云台上集成了重量不足300g的小型双频GPS接收机,用于记录GPS卫星信号,总体集成系统如图2所示。

稳定云台连接GPS

  1.2eventmark时刻的准确性标定


  eventmark时刻的准确性影响到摄站点坐标的精度,因此必须对相机脉冲信号进行标定,使其处于相机快门打开与关闭的中间时刻。本系统机载GPS选用了高动态量测型航空天线,采样频率设置为2Hz,相机曝光时,当快门开启到最大时向GPS发送一个高电平脉冲(eventmark),并记录到GPS文件,通过该时刻可内插出所有摄站点的空间位置。


  1.3无人机载GPS数据处理


  考虑到GPS在飞行过程中连续观测存在漂移量,平差时需要对GPS数据进行逐航线改正,以消除GPS连续观测累计的漂移误差。本文将下载后的机载GPS数据联合同一时段的快速星历进行平差解算,利用地面控制点数据,并结合每张相片曝光时刻内插出每张像片的3个直线元素。


  2、无人机大比例测图及精度评价


  本文利用自主研发的无人机航测系统完成了固始县城规划区39km2的1∶500地形图测绘任务,并对成图精度进行了分析与评价,固始县位于河南省中东部,属平原地区,平均海拔50m,测绘范围覆盖部分建成区和城乡结合部,包括了大比例尺地形图测绘的诸多要素,具有一定的代表性。


  2.1航线布设与测图


  在测区39km2范围内设计布设11条航线ꎬ地面分辨率为5cm,其中构架航线布设两条,地面分辨率设计为6.5cm,设计的航线布设方案如图3所示,选择4个像片控制点、9个检查点ꎬ为检查和评定空三加密精度,在测区内选择分布均匀的10个明显地物点作为平高检查点。

航线与构架航线布设方案

  航线与构架航线布设方案


  2.2测图过程


  利用全数字摄影测量系统导入空三加密成果,进行地物地貌要素的立体采集,形成调绘工作底图,外业根据工作底图进行实地调绘,查缺补漏并进行精度检测,最终编辑1∶500地形图。


  2.3成图精度分析和评价


  采取随机抽样法抽取4幅图进行精度检验,分别检查两幅图的高程和平面位置精度,每幅图利用RTK实地采集30个高程点和平面点坐标,分别与地形图上相应的点进行对比,据此对精度进行分析评价,检查点的高程中误差按下式计算(结果见表1)

统计函数表

  1∶500比例尺地形图航测成图规范要求:高程中误差为±0.2m,平面位置中误差为±0.2m和±0.3m,城市测量规范的相应规定则分别为±0.15m和±0.2m,由表1和表2可以看出,高程和平面中误差完全满足相关规范精度要求,实际应用结果表明,利用本文研发的无人机载GPS辅助航摄测图系统,采用四角布设像控点原则,能满足1∶500大比例尺地形图成图精度要求。


  2.4生产效率对比


  将无人机大比例尺航测成图方法与常规航测成图方法进行对比,在像控点布设数量、作业天数及作业效率方面具有明显的优势,详见表3,

生产效率对比情况

  生产效率对比情况


  由表3可知,常规航测成图法布设像控点300个,而本文方法所需像控点仅为13个(约为常规方法的4%),作业天数由20d缩短为3d,大幅度减少了野外像片控制测量工作量,显著提高了外业作业效率。


  3、结语


  本文采用自主集成的无人机航测载GPS辅助航摄系统进行1∶500大比例尺地形图生产,结果表明该系统在大比例尺测图中能够满足国家航测成图规范及城市测量规范的精度要求,同时显著提高了生产效率,为我国无人机大比例尺地形图测绘工作提供了经验和借鉴。


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