基于低空无人机航摄系统试验分析研究

陈莉

摘   要  针对低空无人机航摄系统工作效能与测量精度方面的问题，笔者所在团队实现了一套无人机航摄系统，在新疆某地区开展了航摄试验，对无人机航摄系统获取的航摄影像平面精度及测高精度进行评估，结果表明，成像结果可以满足 1： 1000 地形图测图的平面精度要求。

关键词  无人机;航摄系统;大比例尺测图

中图分类号：P231                          文献标识码：A

Abstract：  In view of the efficiency and measuring accuracy of the low-altitude unmanned aerial photography system， the author team implements a set of Unmanned Aerial Vehicle（UAV）photography system carried out in a region of XinJiang. Through evaluating the plane and elevation accuracy of the aerial experiment on the UAV photography system， the results show that the imaging results can meet the 1：1000 topographic mapping accuracy requirement.

Key words： Unmanned Aerial Vehicle （UAV）; Aerial Photography System; Large-Scale Mapping

1   引言

随着电子技术的飞速发展，遥感应用技术的不断提高，无人驾驶飞机（简称无人机，Unmanned Aerial Vehicle—UAV）在远程遥控、续航时间、飞行品质上有了明显的突破，成为近几年兴起的新型航空遥感手段，并被遥感界普遍认为具有良好的发展前景。随着我国信息化建设和科学技术的不断进步，无人机低空摄影平台的研究在无人机总体设计、飞行控制、组合导航、中继数据链路系统、传感器技术、图像获取及传输系统、发射回收等诸多技术领域都有了长足进步，这些促使无人机低空数码航摄的得以长足发展成为必然趋势。无人机航摄系统具有起降方便、作业灵活、低成本等技术优势，是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有灵活机动、高效快速、精细准确、作业成本低等特点，在快速获取小区域和飞行困难地区高分辨率影像方面具有明显优势，已被广泛应用在地质环境与灾害调查、土地利用动态、基础地理信息更新等领域，有效地弥补了卫星遥感和常规航空摄影的不足。

传统无人机并非为航空遥感而设计，因此没有考虑到遥感飞行的特殊性。此外，无人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，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[1][2]。

本研究实现了一套中型固定翼无人机摄影测量系统，为了验证该自主低空航摄系统的测量精度，设计试验于新疆某区域进行实际航飞作业，布设一个具有大量地面控制点的飞行试验场，采用无人机搭载非量测型数码相机进行摄影作业，然后对航飞数据通過区域网空中三角测量的自检法来计算全部系统误差对像点位置坐标的综合改正值，从而反算确定内方位元素和物镜的光学畸变值，实现相机的高精度标定，并将标定结果用于测绘产品生产，以此来对无人机航空摄影测量系统在小区域大比例尺地形图立体测绘中所能达到的精度水平进行评估和验证。

2  航摄系统组成与平台介绍

本试验采用的航摄系统组成部分有：固定翼无人机飞行平台、飞行控制系统和非量测型面阵CCD 数码相机，以及地面站、远程无线通信装置、地面数据处理系统等辅助设施。

2.1无人机飞行平台

由于固定翼无人机具有飞行速度快，单架次覆盖面积广优点，适合草原、荒漠地区的地形图测绘，本系统采用固定翼无人机平台。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2.15 m，翼展为3.1 m，最大起飞重量为20 kg，起飞速度为70 km/h，任务仓尺寸为 600 mm ×280 mm ×200 mm，任务载荷为 6 kg，飞行速度为 100～110 km/h，飞行高度≤4 km，续航时间为 3 h，控制半径为≤20 km。

2.2飞行控制系统

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[3] [4]，可实现飞机姿态、航高、速度、航向的控制及各个参数的传输以便于地面人员实时掌握飞机和遥感设备的飞行情况[5]。机上采用的 GPS 接收板为普通单频无差分 GPS，导航精度约在±5 m 以内，控制方式有人工遥控和自主飞行两种。

2.3相机设备

本次试验搭载的相机设备为 135 画幅单反相机及广角定焦镜头，镜头标称焦距 28mm; CMOS 传感器尺寸：36mm ×24mm，最大像素：6048像素×4032像素; CMOS 传感器像点尺寸：5.95μm。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。

3  地面检校场的建立

为保证无人机飞行试验的安全性，该检校场选址于新疆某荒漠地区，地理位置为80.2°E，36.97°N，所选检校场总面积约为 3 km2，区域内地形高差约90 m。该区域地貌类型比较单一，地表无明显人工建筑及自然植被，区域这一特点可以保证软件匹配生成的自由网精度均匀，减少影响平差结果的其他因素为了便于辨识及保证定位精度，减少像控点测点精度误差，特意制作 50 个 90 cm × 90 cm 的人工控制点标志，按照300 m 间距均匀布设 10×4个人工地标作为平高控制点，另设 10 个人工地标作为检查点。此外，在检校场选取某处地面纹理密集区域测出 14 个点的坐标位置作为检查点，以便后期验证精度使用。检校场地面点分布如图1 所示，控制点及检测点实地布设样式如图2所示。