天宝X100无人机摄影测量试验

山西省电力勘测设计院 李少龙

北京麦格天渱科技发展有限公司 蒋国辉

一、引 言

近年来，无人机(unmanned aerial vehicles，UAV)摄影测量技术发展迅速，在大比例尺地形图测绘领域得到了广泛应用。尽管如此，无人机操控难度大、数据处理过程复杂等因素在很大程度上制约了该技术的应用。

美国Trimble公司旗下Gatewing公司推出的无人机X100(天鹰)机身轻小、操作简便，国外的测试结果表明其摄影测量成果数据精度可达到平面5 cm、高程10 cm的水平。为了测试其性能，笔者选取一个面积约1 km2的公园作为试验区，利用X100实地采集航空影像，经空三处理后利用检查点对比计算其精度，分析和评价X100应用于大比例尺地形图测绘的可行性和适用性。

二、无人机系统介绍

天鹰X100由Trimble旗下的比利时Gatewing公司生产，机长60 cm，翼展100 cm，飞机使用碳纤维材料，净重2.2 kg，动力系统采用锂电池驱动无刷电机，巡航速度80 km/h，飞行高度100～750 m，续航时间45 min。飞机采用弹射起飞、机腹滑降模式，爬升、摄影和降落过程都按地面控制系统事先设定的路线自主完成(如图1所示)。

图1 X100无人机

无人机系统的硬件构成以自动驾驶仪EBOX为核心，连接电机、机翼动作杆等动力系统，导航GPS、气压计、空速传感器、陀螺仪、加速度计等构成的姿态传感及控制系统，数码相机，并通过数传电台与地面控制站进行实时通信。

X100搭载了一款理光GR digital 4高端卡片数码相机，CCD尺寸1/1.7英寸，分辨率为3648像素×2736像素，每个像素大小为2 μm，采用6 mm的定焦镜头。

三、试验过程

1.试验区概况与航摄方案设计

试验区位于某市一体育公园内，南北长约1.5 km，东西宽约1 km，平均海拔840 m，地形平坦。公园内有体育馆、道路、花圃等建构筑物和人工设施，便于选取影像分辨精度高的地面控制点。

在试验区测设了188个野外控制点。这些控制点均匀分布于试验场内，都是各类人工设施的拐角等，色彩对比明显，从像片上可以清晰辨认。控制点采用假设坐标系和假设高程系，使用天宝R8 GNSS实时动态模式测量，测量精度优于3 cm。航摄方案按区域网设计，主要技术参数见表1。无人机控制器自动设计摄影路线。

表1 航摄方案技术参数

2.数据获取

试验当天天气晴朗、能见度较高，风速约4～5级。起降场选择在试验区以东5 km的一块休耕的空地，按作业手册的要求，场地长度不小于100 m，宽度不小于30 m。

起飞前需在地面控制器上设置测区范围、航高、航向、旁向重叠度，以及起降位置等参数，并上传至飞机。

X100的弹射架为铝合金折叠装置，展开后长度3 m。弹射动力来自4根橡胶绳索，人工转动绞盘上紧后安置飞机，发射角度24°。

然后按作业手册规定逐项检查飞机工况，整个准备过程耗时约20 min。一切就绪后，点击控制面板上的紧急情况处理指令，按下发合闸，无人机被迅速弹出，电机自动启动，无人机即按照设定起飞路线爬升，飞向测区(如图2所示)。

X100飞行过程中向地面控制器实时回传航迹、航速、航高等参数，如有意外情况，通过控制器发出指令，飞机可以原地、左转300 m、右转300 m盘旋，或终止飞行任务，立即返航降落。

整个航摄过程用时90 min，共拍摄像片479张。

图2 X100弹射起飞

3.空三加密计算及结果分析

本次试验使用俄罗斯Agisoft PhotoScan软件进行空三加密计算。计算前利用相机检校参数对原始影像进行畸变纠正。模型连接完成后，人工加刺16个地面控制点，其中6个为检查点。平差后，6个检查点中平面位置不符值最大为0.09 m(Δx)和0.15 m(Δy)，高程不符值最大为0.14 m，计算界面如图3所示。

从平差结果可以看出，由于本次测试设计的航向和旁向重叠度比较大，自动提取的连接点多数达到9°以上重叠，连接强度大，只需少量地面控制点即可取得满意的平差结果。

图3 空三加密计算界面

4.现场检查结果分析

为了进一步检验精度质量，在试验场地中布设的地面控制点中选取了95个点，比较其GPS测量成果与立体模型中的人工测量成果，坐标及高程较差平均值分别为0.08 m(Δx)、0.07 m(Δy)和0.14 m(Δh)，对应的较差中误差分别为0.05 m、0.06 m和0.09 m。此结果也进一步说明了该试验区摄影测量的成果质量和精度符合1∶1000地形图成图的要求。图4为地面检查点高程较差的分布情况。

图4 检查点Δh分布

四、结 论

1)天宝X100无人机摄影测量系统体积小，运输方便，设备的安装部署及飞行和摄影参数的设置都十分快捷简便，飞机起降和执行任务的自动化程度很高，操作人员经过简单培训后就可以独立完成航空摄影任务，极大地方便了很多测绘单位和部门自主开展无人机小区域和应急测绘工作。

2)X100系统的安全性和可靠性设计达到了相当的高度。飞机的重量、体积和泡沫复合材料外壳使其在极端情况下都不至于产生致命伤害。飞行过程与控制系统的实时通信保证了操作人员对飞机的监测与控制，自动化的起降避免了因操作失误而引发事故。飞机内还装置了野外位置发射器，即使飞机意外失踪也可以靠它找回。

3)从试验的结果来看，X100的摄影成果精度达到了常规1∶1000测图的要求。对于小区域测图项目来说，利用X100无人机进行摄影测量是一种很有效的解决方案。

（本专栏由天宝测量部和本刊编辑部共同主办）