1∶500免像控无人机航测技术应用研究

1∶500免像控无人机航测技术应用研究

孙瑞

中国能源建设集团天津电力建设有限公司

天津市 300000

摘要：传统的航空航天测量技术因成本高、现势性不强、受天气条件影响大等原因，一般用于大范围中小比例尺测量任务。而基于无人机平台的航空测量技术具有成本低、机动灵活、时效性强的特点，可以快速高效地获取高分辨率影像、数字高程模型DEM 和数字正射影像图DOM 等数字产品，在大比例尺测图、灾害应急处理、地理国情监测等领域拥有独特优势，正逐步成为空间地理信息获取的重要手段。

关键词：1∶500免像控无人机航测技术；应用；

前言：目前，基于无人机的大比例尺航空摄影测量需要布设一定数量的像控点，工作强度大，精度低。针对像控点布设的缺陷与不足，本文基于天狼星无人机航测系统，探讨了在无控制点的前提下，利用固定翼无人机进行1∶500 数字测图的流程和关键技术，并通过工程实例对天狼星无人机航测系统在1∶500 测图中的可行性进行探究。

一、研究背景意义

目前，随着我国经济水平的不断提高，基础工程的建设如火如荼。无论是智慧城市、数字地球的建设还是对各种资源的实时动态监测，亦或是对地震滑坡泥石流等重大自然灾害的应急保障服务，都需要及时、精确的地理空间信息作为支持。航空摄影测量技术作为快速、高效地获取和更新地理信息数据的重要手段，在灾害应急处理、地理国情监测等多项领域具有独特优势，正逐步成为国家基础建设的重要课题。传统的航空摄影测量技术不但受天气条件的影响较大，而且对机场有较强的依赖性，造成航测的成本较高，并且生产周期较长，此外，如果是在环境复杂的地区，会大大提高作业的危险性，以上这些因素使得传统航测广泛应用于大范围小比例尺的测量任务，却限制了其在小范围大比例尺地形测量中的应用。但是，以无人机为飞行平台的航空摄影测量系统则是通过在无人机上搭载数码相机等影像传感器，配合GPS、IMU等技术来获取地面影像数据，经过数据处理，进而获得被摄物体的地理空间信息及其相互关系，当然，与传统的航空摄影测量系统相比，无人机航空摄影测量系统也有不足的地方：第一：无人机通常搭载的是非量测型相机，获得的影像具有像幅小、镜头畸变大的特点，为了达到航向重叠度和旁向重叠度的要求，就会出现基线短，影像数量多，基高比小，影响后续的测图精度。第二：无人机飞行平台重量轻，虽具有一定的防风能力，飞机的稳定性依然很差，容易出现大倾角、大旋偏角、航迹偏离的情况。所以，无人机航摄系统不管是硬件还是软件，都需要不断地改进，以适应于更复杂的环境，更广泛的领域。

二、1∶500免像控无人机航测技术应用

1.无人机低空摄影测量。无人机低空摄影测量是以无人机为飞行平台，通过搭载传感器设备(数码相机、GPS、IMU等)，对目标作业区域进行航飞，获取影像数据和相对应的POS数据，通过对数据进行空中三角测量等处理，进而获得常用的DOM、DSM和DLG等数字产品及相关专题图等地理信息产品(Dai Z，2016)。无人机低空摄影测量系统是航天遥感和航空遥感的重要补充手段，与传统测量方法相比，具有很大优势。飞行平台指的是无人机机体，是其他任务载荷的载体，主要分为固定翼无人机、多旋翼无人机、直升机、无人飞艇等。飞行控制系统是实现对无人机飞行平台的飞行控制和对任务载荷的管理，包括机载自主控制系统和地面人工控制系统两大部分。首先，由地面人员通过地面控制系统来控制无人机的发射过程和回收过程，在飞机升空到达预先设定的高度后，通过机载控制系统进行自主驾驶，在飞行过程中，可以自由切换自主和人工操作两种模式。机载控制系统包括飞控计算机、导航定位装置、姿态陀螺和电源控制器等，以此实现对无人机姿态、位置、速度、高度、航线的精准控制。POS系统通过动态高频／TK和惯性测量装置IMIJ在航测飞行过程中实时测定无人机的位置和姿态，并由数据通信系统进行传输，通过地面控制平台显示飞行姿态、速度、高度、方位等相关参数。地面控制系统可以对无人机航测系统进行全方位的控制和调整，包括飞行状态显示、任务航线规划、航线回放、数据浏览等，实时掌握无人机和任务载荷的信息。

2．倾斜摄影测量。通过在无人机等飞行平台上搭载多台影像采集设备，从垂直和倾斜多个不同的角度采集高分辨率航拍影像，获取地面信息，然后通过多视影像联合平差、密集匹配、三维模型生产等数据处理实现对真实场景的三维重建，得到点云数据、DOM、DSM以及真实三维模型等测绘产品。与传统的垂直摄影相比较，倾斜摄影更能获取三维模型的空间信息和立面特征，在数字城市建设、应急救灾处理、电力水利等行业发挥重要作用。倾斜摄影技术最突出的优点是不需要进行人工观测，完全依靠相机，利用足够数量和规定重叠度的倾斜影像。在整个过程中，数据采集是三维重建中重要的一步，重建效果的好坏直接取决于影像采集的质量，光照条件、重叠度大小、影像分辨率等均是至关重要的因素单相机倾斜摄影系统在无人机飞行平台上仅搭载一台相机，同时安装POS系统，可以在曝光的瞬间同时准确获取相机的位置和姿态。在数据获取时，通过5次调整相机在云台上的位置，每条航线飞行5个架次即可完成目标区域全部影像的数据采集；也可以3次调整相机位置，往返航线飞行3个架次即可完成。在曝光瞬间同时从5个角度拍摄地面目标，一个架次即可完成目标区域全部影像的数据采集。五相机倾斜摄影的航线一般采用“之”字形，由于在模型重建过程中，对象的每一部分应至少从三个不同角度进行拍摄，因此建议航向重叠度不小于80％，旁向重叠度不小于50％。同时，航线设计范围应略大于测区范围，以保证可以完整获取测区外围地物的侧面纹理信息。

3.数据处理。无人机倾斜摄影获取的数据包括垂直摄影影像和倾斜摄影影像，目前针对倾斜摄影影像的区域网平差主要包括以下三种：(1)无约束区域网平差。通过倾斜摄影获取的影像数据分别有相对独立的外方位元素，同一台相机采集的影像具有统一的相机参数。传统的多相机共线方程模型在平差时没有将不同相机之间的安置参数作为约束条件，这种无约束的区域网平差没有下视影像与倾斜影像同时曝光的限制条件，可以处理随意拍摄的倾斜摄影数据，但由于相机数目较多，方程中的未知数个数快速增多，大大增加了工作量。(2)附加约束的区域网平差。附加约束的区域网平差即把不同相机之间的安置参数作为约束条件加入平

差模型，则网平差未知数是垂直影像的外方位元素和垂直相机与倾斜相机的安置参数。该平差方法要求同一曝光时刻下视相机和倾斜相机同时曝光，大大减少了区域网平差的未知数数量，平差结果更加稳定。(3)倾斜影像的直接定向倾斜影像直接定向是通过常规的区域网平差方法对垂直影像单独解算，在获得所有垂直影像的外方位元素后，再根据下视相机和倾斜相机之间的安置参数解算出同一曝光时刻倾斜影像的外方位元素。该方法忽略了五相机组合的优势，精度不高。影像匹配是通过具有重叠度的区域，利用一定的匹配算法，在相邻两幅或者多幅影像之间识别同名点并进行匹配的过程，目的是为了建立重叠的影像之间的位置关系。针对倾斜摄影提出的多视影像密集匹配算法包括基于物方的多视立体匹配算法、多基元多影像匹配算法和带共线条件约束的多片最小二乘影像匹配算法等，以此得到高精度、高密度的点云数据来进行后续处理。

与传统无人机测图相比，不仅提高了测图精度，更提高了工作效率。但是，本文所选测区面积较小，且地势较为平坦，在接下来的工作中，会继续选择更大范围、地形起伏大的区域进行航测实验，以提高天狼星无人机航测系统的普适性。

参考文献：

[1]范秀庆．无人机免像控技术在地形图测量中的应用研究[J]．测绘通报，2019(S1)：66—68．

[2]徐辉，胡勇，袁子畹，等．低空摄影测量在地形图测量中的应

用探讨[J]．地理空间信息，2019(6)：87—89．