无人机航摄系统在复杂地形应用的关键技术试验

周 磊，梁 爽，李海泉，南竣祥

(国家测绘地理信息局第二地形测量队,陕西 西安 710054)

无人机航摄系统在复杂地形应用的关键技术试验

周 磊，梁 爽，李海泉，南竣祥

(国家测绘地理信息局第二地形测量队,陕西 西安 710054)

随着经济快速发展，我国对于大比例尺地形图的需求越来越高，传统航测技术在生产效率和精度上都无法满足要求。在本次试验中，通过研究GPS实时动态差分技术和数据后处理等关键技术，提高了数据精度。实现了固定翼无人机航摄系统在山区丘陵和城区居民地两种复杂地形的1∶500大比例尺DOM和DEM的制作，通过精度检查表明，其精度完全满足1∶500大比例尺DOM和DEM的要求。同时摆脱了传统航摄影像制作时需要外业像控测量的作业模式，大大提高了生产效率。

无人机；GPS动态实时差分；DEM；DOM

随着目前我国经济的迅速发展，特别是城镇化步伐的加速，我国在城镇规划、建设、交通、社保、土地、管理和公众服务中对于大比例尺地图的需求越来越广泛，而且对成图时效性的要求越来越高。

目前，国内利用高分辨率航空遥感影像进行测图和局部数据更新的应用已经较多，但是却存在着许多问题。一方面，利用大飞机航测具有成本高、空管调度难、起飞场地苛刻等弊端，不适合小面积区域测图；另一方面，虽然小型无人机具有成本低、灵活机动、能够进行云下作业等优点，但是由于搭载的非专业相机自重小、飞行姿态不稳定，导致其获取的数据影响精度无法满足大比例尺测图，特别是复杂地形区域的精度要求。

本文针对复杂地形区域的特点，通过对无人机航测系统关键技术进行创新研究，一方面避免了外业像控点的测量工序；另一方面提高了在复杂地形中的精度，满足了大比例尺精度的要求。

1 无人机航摄系统结构和原理

无人机航摄系统，也称为低空无人机系统UAV(unmanned aerial vehicle)航摄系统，包括飞行平台、航线设计和飞行控制系统、GPS实时动态差分系统和数据后处理系统。

1.1 无人机系统

在本次试验中，采用的可拆卸手抛式无人机为传统前置螺旋桨驱动，机身为EPO泡沫，尺寸为163 cm×120 cm，全重仅2.7 kg，便于发射和回收，如图1所示。

1.2 航线设计和飞控系统

分析两个试验区的特点，在试验区一，因为地势开阔，因此采取“之”字形航线设计；在试验区二，因地形复杂，区域内有高层建筑，因此采取“井”字形的航线设计，航线设计的航向重叠度为30%，旁向重叠度为80%。在航线设计时，对地形进行粗略匹配，从而可以提高飞行效率。

图1 无人机系统

图2 试验区航线规划

在航线设计好之后，通过飞行器电台，将航线上传至飞控系统。飞控系统包括机载自控系统和地面遥控系统两部分。在将航线上传之后，由自控系统根据航线对飞机飞行姿态进行控制，同时通过飞行器电台，将实时飞行数据传输给地面控制平台。地面遥控系统可以在自控系统出现问题时，实时对飞机的飞行进行控制，从而保证飞行的安全性。

1.3 GPS实时动态差分系统

该系统采用GPS实时差分技术。除在航飞区域附近架设GPS基站之外，在飞机上同时装有GPS接收装置，通过电台进行通信。利用GPS数据差分处理器，利用机载和架设的GPS信息，能够实时联合结算出无人机的空间坐标位置和飞行姿态等数据参数。相对于传统PPK后差分系统，能够实时监控飞行和航片质量，提高生产效率和数据精度。

1.4 数据后处理系统

数据后处理采用俄罗斯Agisoft公司的Photoscan Professional软件，无需设置初始值，无需相机校准，利用多视图三维重建技术能够生成高分辨率的正射影像和DEM模型。

2 无人机航摄系统试验实施过程

2.1 技术路线

在本次试验过程中，为了检测固定翼无人机的精度，选择了两片典型试验区。同时，选择明显地物点作为数据精度的检测点，并利用RTK进行测量。技术路线流程如图3所示。

图3 无人机试验技术路线

2.2 测区概况

在本次试验中，选择了两处典型地貌特征区域用于精度检测。

2.2.1 试验区一

试验区一位于神木县西南，其中心点位置为东经110°29′11.48″，北纬38°45′46.08″，南北长1.17 km，东西长1.08 km，总面积约为1.26 km2，试验区内主要为起伏丘陵，还包括光伏电厂(部分)和水库，地表植被丰富，如图4(a)所示。

2.2.2 试验区二

试验区二位于神木县南侧新区神木县新村建设管理委员会附近，试验区中心点位置为东经110°27′50.12″，北纬38°53′38.92″。南北长1.54 km，东西长0.73 km，总面积约为1.1 km2。试验区内主要为建筑物，房屋密集，包括城市广场和异形体育场馆一座，高层建筑和低矮房屋建筑交错布局，地物类型丰富，如图4(b)所示。

图4 试验区位置及范围

2.3 航摄情况

在航飞过程中，时间选择和天气环境对航飞影响较大。本次航飞天气晴好，气温19℃～32℃，两个试验区无低云、雾霾，东北风，低空风速小于3级。试验区一航摄时间窗口为上午9点—11点，试验区二航摄时间窗口为下午12点—14点，该时间窗口太阳高度角较大，地物影子短。

2.4 数据处理

在数据后处理中，使用Agisoft公司提供的PhototScan Professional(64 bit)软件。在PhotoScan软件中导入照片，利用SIFT算子提取每张相片中的特征点并获取其相对应的Descriptor。利用下载的POS数据对相片进行对齐，利用RANSAC算法对粗差剔除，消除误匹配。利用GPS获取的图根点坐标，利用共线方程计算出像点物方空间坐标，在逐次平差迭代的过程中，剔除粗差，建立数字点云。从数据导入到生成DEM、DOM等数字产品其所需时间约4 h。

3 无人机航摄系统大比例尺成图精度分析

3.1 外业检测点分布

为了验证航拍正射影像精度，在试验区利用动态RTK测量共选取了27个检测点，其中试验区一有16个检测点，分布情况如图5(a)所示，其中7个点专门用于高程检测，其余9个点既可用于高程精度检测也可用于平面精度检测；试验区二有11个检测点，如图5(b)所示，其中1个专门用于高程检测，其余10个既可用于高程精度检测也可用于平面精度检测。

图5 试验区检测点分布

3.2 外业检测点测量

在试验区，选择较为明显、易于判断的地点作为平面检核点；选择地面平坦、局部高程变化较小的地点作为高程检核点。使用试验区内分布的一个GPS D级控制点和一个GPS E级控制点，利用RTK技术，在固定解状态下进行测量。为了保证检核点自身的精度，每个检核点进行两次测量，如果其差值在允许范围内(3 cm)则取其平均值作为最终成果，如果大于允许范围则重新进行量测。

3.3 精度统计和分析

经统计，试验区一外业共测量平面检核点9个，高程检核点16个，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM标准进行精度检测。DOM精度检测结果见表1，通过分析可知，在试验区一DOM平面检测点点位精度误差最小值为0.047 m，最大值为0.269 m，平均值为0.116 m，检测点平面中误差为0.132 m。允许中误差为0.3 m。

表1 试验区一DOM平面精度分析结果 m

DEM精度检测结果见表2，通过分析可知，在试验区一DEM高程检测点点位精度误差最小值为0.020 m，最大值为0.464 m，检测点高程中误差为0.186 m。允许中误差为0.2 m。

表2 试验区一DEM高程精度分析结果 m

经统计，试验区二外业共测量平面检核点10个，高程检核点11个，之后按照1∶500比例尺DOM、DEM标准进行精度检测。DOM精度检测结果见表3，通过分析可知，在试验区二DOM平面检测点点位精度误差最小值为0.031 m，最大值为0.143 m，平均值为0.069 m，检测点平面中误差为0.076 2 m。允许中误差为0.3 m。

表3 试验区二DOM平面精度分析结果 m

DEM精度检测结果见表4，通过分析可知，在试验区二DEM高程检测点点位精度误差最小值为0.014 m，最大值为0.229 m，平均值为0.085 m，检测点高程中误差为0.102 m。允许中误差为0.2 m。

表4 试验区二DEM高程精度分析结果 m

4 结论和展望

(1) 通过本次试验结果可知，该无人机在山区丘陵(试验区一)和城区居民地(试验区二)的复杂地形应用中，其得到的高精度DEM、DOM平面中误差和高程中误差均能满足1∶500大比例尺的测图精度。且城区居民地(试验区二)的精度高于山区丘陵(试验区一)精度，其原因可能是由于试验区二采用“井”字形航带设计导致，在今后的研究过程中可以继续研究航带规划对航摄影像精度的影响。

(2) 在本次试验中无需进行外业像控点的测量。在作业时只需要利用RTK获取通信基站的GPS坐标作为图根点便可。相对于传统的航摄影像制作过程，大大提高了生产和工作的效率。

(3) 随着我国经济的快速发展，城市的发展日新月异，因此对于大比例尺地形图测绘的时效性要求越来越高，更新速度越来越快。与此同时，在国土土地调查、农村确权发证、灾害治理工程和救灾应急测绘中对于快速生产出大比例尺地形图也有强烈需求。该无人机系统因其精度高、生产周期短和外业测量依赖性较小等特点，在以上方面将具有广阔的应用前景。

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Research on Application of Key Technology in Complex Terrain of UAV Aerial Photography System

ZHOU Lei，LIANG Shuang，LI Haiquan，NAN Junxiang

(The Second Topographic Surveying Brigade of National Administration of Surveying Mapping and Geoinformation，Xi’an 710054，China)

With the development of economy, the request of large scale topographic map is more and more high, and the production efficiency and accuracy of the traditional aerial technology can not meet the requirements. In this experiment, through the research of DGPS Real-time Kinematic and data post-processing, the key techniques such as the data precision is improved. Fixed-wing UAV aerial photography system is used in mountainous hilly and urban residents area for two kinds of complex terrain 1∶500 large-scale DOM and DEM production. The precision examination showed that its precision completely meets the requirements of 1∶500 large-scale DOM and DEM. At the same time the field control is not needed for the traditional aerial image production the production efficiency is greatly improved.

UAV； GPS real-time kinematic; DEM; DOM

周磊，梁爽，李海泉,等.无人机航摄系统在复杂地形应用的关键技术试验[J].测绘通报，2017(4)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0126.

2016-07-18；

2017-01-23

周 磊(1986—)，男，工程师，硕士，主要从事GIS应用和航空摄影等工作。E-mail：srzerg@hotmail.com

P23

A

0494-0911(2017)04-0085-04