隨著目前我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，特別是城鎮(zhèn)化步伐的加速，我國在城鎮(zhèn)規(guī)劃、建設(shè)、交通、社保、土地、管理和公眾服務(wù)中對于大比例尺地圖的需求越來越廣泛，而且對成圖時效性的要求越來越高。
目前，國內(nèi)利用高分辨率航空遙感影像進(jìn)行測圖和局部數(shù)據(jù)更新的應(yīng)用已經(jīng)較多，但是卻存在著許多問題。一方面，利用大飛機航測具有成本高、空管調(diào)度難、起飛場地苛刻等弊端，不適合小面積區(qū)域測圖；另一方面，雖然小型無人機具有成本低、靈活機動、能夠進(jìn)行云下作業(yè)等優(yōu)點，但是由于搭載的非專業(yè)相機自重小、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致其獲取的數(shù)據(jù)影響精度無法滿足大比例尺測圖，特別是復(fù)雜地形區(qū)域的精度要求。
本文針對復(fù)雜地形區(qū)域的特點，通過對無人機航測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究，一方面避免了外業(yè)像控點的測量工序；另一方面提高了在復(fù)雜地形中的精度，滿足了大比例尺精度的要求。
無人機航攝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理
無人機航攝系統(tǒng)，也稱為低空無人機系統(tǒng)UAV航攝系統(tǒng)，包括飛行平臺、航線設(shè)計和飛行控制系統(tǒng)、GPS實時動態(tài)差分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。
1無人機系統(tǒng)
在本次試驗中，采用的可拆卸手拋式無人機為傳統(tǒng)前置螺旋槳驅(qū)動，機身為EPO泡沫，尺寸為163cm*120cm，全重僅2.7kg，便于發(fā)射和回收。
2航線設(shè)計和飛控系統(tǒng)
分析兩個試驗區(qū)的特點，在試驗區(qū)一，因為地勢開闊，因此采取“之”字形航線設(shè)計；在試驗區(qū)二，因地形復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)有高層建筑，因此采取“井”字形的航線設(shè)計，航線設(shè)計的航向重疊度為30％，旁向重疊度為80％。在航線設(shè)計時，對地形進(jìn)行粗略匹配，從而可以提高飛行效率。
在航線設(shè)計好之后，通過飛行器電臺，將航線上傳至飛控系統(tǒng)。飛控系統(tǒng)包括機載自控系統(tǒng)和地面遙控系統(tǒng)兩部分。在將航線上傳之后，由自控系統(tǒng)根據(jù)航線對飛機飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，同時通過飛行器電臺，將實時飛行數(shù)據(jù)傳輸給地面控制平臺。地面遙控系統(tǒng)可以在自控系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，實時對飛機的飛行進(jìn)行控制，從而保證飛行的安全性。
3GPS實時動態(tài)差分系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用GPS實時差分技術(shù)。除在航飛區(qū)域附近架設(shè)GPS基站之外，在飛機上同時裝有GPS接收裝置，通過電臺進(jìn)行通信。利用GPS數(shù)據(jù)差分處理器，利用機載和架設(shè)的GPS信息，能夠?qū)崟r聯(lián)合結(jié)算出無人機的空間坐標(biāo)位置和飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)參數(shù)。相對于傳統(tǒng)PPK后差分系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控飛行和航片質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)精度。
4數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)后處理采用俄羅斯Agisoft公司的PhotoscanProfessional軟件，無需設(shè)置初始值，無需相機校準(zhǔn)，利用多視圖三維重建技術(shù)能夠生成高分辨率的正射影像和DEM模型。
無人機航攝系統(tǒng)試驗實施過程
1技術(shù)路線
在本次試驗過程中，為了檢測固定翼無人機的精度，選擇了兩片典型試驗區(qū)。同時，選擇明顯地物點作為數(shù)據(jù)精度的檢測點，并利用RTK進(jìn)行測量。技術(shù)路線流程如圖3所示。
2測區(qū)概況
在本次試驗中，選擇了兩處典型地貌特征區(qū)域用于精度檢測。
2.1試驗區(qū)一
試驗區(qū)一位于神木縣西南(神木縣是陜西省從北往南數(shù)第二個縣，歸榆林市管轄)，其中心點位置為東經(jīng)110°29′11.48″，北緯38°45′46.08″，南北長1.17km，東西長1.08km，總面積約為1.26平方千米。試驗區(qū)內(nèi)主要為起伏丘陵，還包括光伏電廠(部分)和水庫，地表植被豐富，如圖４(ａ)所示。
2.2試驗區(qū)二
試驗區(qū)二位于神木縣南側(cè)新區(qū)神木縣新村建設(shè)管理委員會附近，試驗區(qū)中心點位置為東經(jīng)110°27′50.12″，北緯38°53′38.92″，南北長1.54km，東西長0.73km，總面積約為1.1平方千米。試驗區(qū)內(nèi)主要為建筑物，房屋密集，包括城市廣場和異形體育場館一座，高層建筑和低矮房屋建筑交錯布局，地物類型豐富，如圖４(ｂ)所示。
3航攝情況
在航飛過程中，時間選擇和天氣環(huán)境對航飛影響較大。本次航飛天氣晴好，氣溫19℃~32℃，兩個試驗區(qū)無低云、霧霾，東北風(fēng)，低空風(fēng)速小于3級。試驗區(qū)一航攝時間窗口為上午9點—11點，試驗區(qū)二航攝時間窗口為下午12點—14點，該時間窗口太陽高度角較大，地物影子短。
4數(shù)據(jù)處理
在數(shù)據(jù)后處理中，使用PhotoScanProfessional軟件。在PhotoScan軟件中導(dǎo)入照片，利用SIFT算子提取每張相片中的特征點并獲取其相對應(yīng)的Descriptor，利用下載的POS數(shù)據(jù)對相片進(jìn)行對齊，利用RANSAC算法對粗差剔除，消除誤匹配。利用GPS獲取的圖根點坐標(biāo)，利用共線方程計算出像點物方空間坐標(biāo)，在逐次平差迭代的過程中，剔除粗差，建立數(shù)字點云。從數(shù)據(jù)導(dǎo)入到生成DEM、DOM等數(shù)字產(chǎn)品其所需時間約4小時。
無人機航攝系統(tǒng)大比例尺成圖精度分析
1外業(yè)檢測點分布
為了驗證航拍正射影像精度，在試驗區(qū)利用動態(tài)RTK測量共選取了27個檢測點，其中試驗區(qū)一有16個檢測點，分布情況如圖５(ａ)所示，其中7個點專門用于高程檢測，其余9個點既可用于高程精度檢測也可用于平面精度檢測；試驗區(qū)二有11個檢測點，如圖５(ｂ)所示，其中1個專門用于高程檢測，其余10個既可用于高程精度檢測也可用于平面精度檢測。
2外業(yè)檢測點測量
在試驗區(qū)，選擇較為明顯、易于判斷的地點作為平面檢核點，選擇地面平坦、局部高程變化較小的地點作為高程檢核點。使用試驗區(qū)內(nèi)分布的一個GPSD級控制點和一個GPSE級控制點，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測量。為了保證檢核點自身的精度，每個檢核點進(jìn)行兩次測量，如果其差值在允許范圍內(nèi)(3cm)則取其平均值作為最終成果，如果大于允許范圍則重新進(jìn)行量測。
3精度統(tǒng)計和分析
經(jīng)統(tǒng)計，試驗區(qū)一外業(yè)共測量平面檢核點9個，高程檢核點16個，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度檢測。DOM精度檢測結(jié)果見表1，通過分析可知，在試驗區(qū)一DOM平面檢測點點位精度誤差最小值為0.047m，最大值為0.269m，平均值為0.116m，檢測點平面中誤差為0.132m，允許中誤差為0.3m。
DEM精度檢測結(jié)果見表2，通過分析可知,，在試驗區(qū)一DEM高程檢測點點位精度誤差最小值為0.020m，最大值為0.464m，檢測點高程中誤差為0.186m，允許中誤差為0.2m。
經(jīng)統(tǒng)計，試驗區(qū)二外業(yè)共測量平面檢核點10個，高程檢核點11個，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度檢測。DOM精度檢測結(jié)果見表3，通過分析可知,，在試驗區(qū)二DOM平面檢測點點位精度誤差最小值為0.031m，最大值為0.143m，平均值為0.069m，檢測點平面中誤差為0.0762m，允許中誤差為0.3m。
DEM精度檢測結(jié)果見表4，通過分析可知，在試驗區(qū)二DEM高程檢測點點位精度誤差最小值為0.014m，最大值為0.229m，平均值為0.085m，檢測點高程中誤差為0.102m，允許中誤差為0.2m。
結(jié)論和展望
(1)通過本次試驗結(jié)果可知，該無人機在山區(qū)丘陵(試驗區(qū)一)和城區(qū)居民地(試驗區(qū)二)的復(fù)雜地形應(yīng)用中，其得到的高精度DEM、DOM平面中誤差和高程中誤差均能滿足1∶500大比例尺的測圖精度。且城區(qū)居民地(試驗區(qū)二)的精度高于山區(qū)丘陵(試驗區(qū)一)精度，其原因可能是由于試驗區(qū)二采用“井”字形航帶設(shè)計導(dǎo)致，在今后的研究過程中可以繼續(xù)研究航帶規(guī)劃對航攝影像精度的影響。
(2)在本次試驗中無需進(jìn)行外業(yè)像控點的測量。在作業(yè)時只需要利用RTK獲取通信基站的GPS坐標(biāo)作為圖根點便可。相對于傳統(tǒng)的航攝影像制作過程，大大提高了生產(chǎn)和工作的效率。
(3)隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市的發(fā)展日新月異，因此對于大比例尺地形圖測繪的時效性要求越來越高，更新速度越來越快。與此同時，在國土土地調(diào)查、農(nóng)村確權(quán)發(fā)證、災(zāi)害治理工程和救災(zāi)應(yīng)急測繪中對于快速生產(chǎn)出大比例尺地形圖也有強烈需求。該無人機系統(tǒng)因其精度高、生產(chǎn)周期短和外業(yè)測量依賴性較小等特點，在以上方面將具有廣闊的應(yīng)用前景。
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