低空无人机航摄系统大比例尺成图分析

　　摘要：以大比例尺（1:500、1:1000、1:2000）地形图测图为目的，采用中型固定翼无人机平台，搭载非量测型民用数码相机，区域设立飞行试验场进行航摄实验。在试验场布设精确定位的人工坐标，对非量测型传感器进行检校标定，对无人机航摄系统获取的航摄影像平面精度及高程精度进行评估，并对系统的改进提出良好建议。
　　一、 引言
　　无人飞行器航空摄影系统由于使用成本低、影像分辨率高、机动快速响应等优点，可作为低空遥感数据快速获取的有效途经。而传统无人机并非为航空遥感而设计，此外，无人航空飞行器所搭载的非量测型相机存在较大的光学畸变，不能直接用于测绘生产。因此，低空无人机航摄系统面临着工作效能与测量精度两方面的问题。
　　二、 航摄系统组成
　　检校实验采用的航摄系统组成部分：固定翼无人机飞行平台、飞行控制系统和非量测型面阵CanonEOS5DmarkⅡ(36mm×24mm)数码相机，及地面站、远程无线通信装置、地面数据处理系统等辅助设施。
　　1. 无人机飞行平台。由于固定翼无人机具有低成本，可实现低速平稳飞行、灵活方便等优点，实验采用固定翼无人机飞行平台。平台主要采用重量轻、强度大的玻璃钢和碳纤维复合材料加工而成，机长为2.2m，翼展为2.4m,最大起飞重量为2kg,起飞速度为80km/h,任务仓尺寸为550mm×260mm×180mm,飞行速度为110～120km/h飞行相对高度≤1km，续航时间为1.5h,控制半径≤15km。
　　2．无人机飞行平台。飞行控制系统用于飞行控制与任务设备管理，由自驾仪、姿态陀螺、GPS定位装置、无线电遥控系统等组成，可实现飞机姿态、航高、航速、航向的控制及各个参数的传输，以便地面工作人员实时掌握无人飞机和遥感设备的运行情况。无人机上采用GPS接收板普通单频无差分GPS，导航精度约在5m以内，控制方式有人工遥控和自主飞行两种。
　　3．遥感设备。此次试验搭载的遥感设备为YS09及CanonEOS5DmarkⅡ(36mm×24mm)广角定焦镜头相机，镜头标称焦距24.3394mm;CMOS传感器尺寸：36mm×24mm，最大像素：5616像素×3744像素。飞行过程中采取飞控系统控制快门定点曝光，将对焦环固定在无穷远处锁定相机的内方位元素，并采用固定光圈以保证统一物镜畸变参数。
　　三．地面检校场的建立
　　为保证无人机航拍飞行试验的安全性，该检校场选址于土地整理项目盐池县项目区，地理位置为38.06N，107.13E,所选检校场总面积5平方公里，区域内高差约80m,为便于辨识及保证定位精度，制作40个80cm×80cm的人工控制点标志作为平高控制点，另设10个人工地标作为检查点。
　　所有地面控制点采用RTK实时动态差分法进行测量，坐标高程均为WGS-84ITRF97基准，平面及高程位置精度可保证在±10cm以内。
　　四．基于检校场的航摄试验
　　1.试验数据。本试验设计飞行拍摄模式为等距曝光，无人机航高为700m,地面分辨率为10cm，检校场影像航向重叠度为60%～70%，旁向重叠度为20%～40%。该架次影像共有两组，挑选符合要求且覆盖地面已知点较多的两组影像参与后期的平差处理。
　　2. 相机检校与测图精度分析。研究的检校原理是采用区域网空中三角测量运算中的自检法，将可能存在的系统误差，包括相机的实际测量焦距f、像主点偏移值△x、△y、物镜各畸变参数等，作为附加参数引入光束法区域网平差。
　　航带中选取A组影像进行自检校平差，A区处于航带中间位置，包括第二航带和第三航带，对应地面的高差约为60m，共有6个控制点、2个检查点。为便于误差控制，所有后处理过程中均采用UTM44N投影，通过上述畸变模型对该组影像进行系统误差计算。检校结果如下：
　　f=24.3294mm
　　Xo=0.2921mm,Yo=0.4791mm
　　K1=-8.6082E-005,K2=-1.0511E-005
　　为了验证该检校结果的有效性,选择地面检查点密布的一组影像,在未代入检校结果前,先采用镜头标称值进行区域网平差,然后对比检校后的平差结果，平差过程中采用5个控制点和5个检查点。实验表明,在检校前后检查点的残差发生较大变化。
　　根据检查点在检校前后的残差变化,检校后的平面和高程精度均有所改善,其中对高程精度的影响尤其明显,这表明了检校结果的有效性。且所有检查点的平面精度满足1:1000地形图航空摄影测量内业规范，但高程在相机标定前后都有所超限。
　　五．分析总结
　　1.存在问题及原因分析
　　（1）航摄效率问题。无人机的飞行高度决定它所受到的天气影响会远小于航空遥感及卫星传感器，但是本次实验任务中出现了不稳定造成的影像姿态角超限。因此在后续工作中应当提高飞行器平台的稳定性。
　　（2）非量测型相机的局限。在航摄比例尺≥1:3000的情况下，航偏角一般不大于10°，由于非量测型相机的幅面过小，同样的航偏角对于135画面非量测型相机，则会出现摄影漏洞（重叠度＜50%）。因此，有必要采取相机拼接的办法或者选取中画幅相机以提高像片覆盖。
　　（3）测高精度。影像的高程精度是直接由传感器本身设计的基高比来决定的。理想基高比为1:1～1:1.5，本次任务时为窄像对飞行模式，航向重叠度60%。基高比为：
　　B/H=((1-60%)×4032×GSD)/H=0.2304式中，GSD为影像像元的地面分辨率。因此，要实现无人机大比例尺地形图立体测绘必须要增大基高比，而增大基高比必须通过通过增大航向成像宽度或缩短焦距来实现。
　　2.总结
　　本次采取135画幅数码相机，以无人飞行器为平台进行相对航高为700m的航摄作业，通过检校标定成像结果，可以满足1:1000地形图测绘的平面精度要求。实际验证无人机航摄系统可以在云下低空运行，具有机动、灵活、实时等特点，能够获取卫星和有人飞机无法获得的高分辨率影像数据。可以作为传统航空、航天遥感平台的重要补充。
　　由于无人机航摄自身条件的限制，不可避免地产生基高比小、高程精度低的问题。在今后的作业中应采取相应措施：采取宽像对飞行模式、选取短焦镜头、增大相机靶面等方法来增大立体相对像幅覆盖。

《低空无人机航摄系统大比例尺成图分析》

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