飞马F200型固定翼无人机在大比例测图中的应用

高 清 勇

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队，贵州 安顺 561000)

1 概述

测绘地理信息行业近些年发展较快，新技术新设备连续出现。行业也正逐渐从劳动密集型向科技密集型转变。大比例尺地形图含有详细的地形要素和地理信息，是城市规划、市政公用事业、土地管理必不可少的基础资料[1]。无人机产业的迅猛发展为大比例尺地形图的测绘作业提供了新的思路。作为国际测绘领域一项高新技术，摄影测量技术(photography technique)因其能快速、高效获取客观丰富的地面数据信息，近年来在信息化测绘领域进行诸多探索[2]。数字正射影像图(DOM)具有地形图的几何精度和影像特征，具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取数据快捷等优点[3]。DOM模型是对地物表面的模拟，但由于植被覆盖、房屋遮挡等一些拍摄死角或关联点不足的地方，全自动建模时会存在容易产生模型扭曲变形的缺点。

2 测绘无人机作业原理及优势

2.1 基本原理

本文介绍测图方法是以无人机为平台，以影像传感设备为任务载荷，通过从飞机对地球表面所获取的照片为基础，根据其几何特征和物理特征进行量测和分析，从而确定地面上物体的形状、大小、空间位置及相互关系的一门学科和技术。

2.2 优势

无人机航空摄影测量相对于大型有人飞机和传统测绘相比有如下优势：

1)操作简单，易学习，上手快；

2)机动性高，普通轿车即可携带；

3)适用性好，可在阴天作业；

4)结果准确，和全野外测量相比，无人机测绘能减少工作量，提高成图效率[4]；

5)整体成本低；

6)成果种类丰富；

7)通达性强，封闭院内可非接触式测量，降低了作业人员风险。

3 项目实施

3.1 项目概述

以某城市某地区某村1∶500大比例测绘图项目为例，范围线内包含两个村落，村落面积合计为0.7 km2。村内房屋多为带阳台混房，属于该地区较为典型的村庄。测区范围如图1所示。

3.2 无人机简介

本项目选用飞马F200型固定翼无人机，它是我国自行设计生产的专业测绘无人机，飞机如图2所示。模块化设计、手抛起飞、伞降，拥有成熟的飞控系统，可携带航测模块和倾斜模块两种方式，并有相关软件支持作业。相对于旋翼无人机，具有：续航时间长，姿态稳定，安全性高等优点。该无人机部分参数见表1，表2。

表2 飞机主要参数(二)

3.3 项目概述

根据Google earth卫星影像确定了测区位置，在无人机飞控软件中圈定了作业范围，选择分辨率为2 cm，航向重叠率80%，旁向重叠图70%，飞控软件自动生成并确定了飞行线路。采用正射相机模块航空摄影，利用地面基站和飞机的PPK模块解算厘米级的POS数据；使用Pix4D软件进行空中三角测量及全自动三维建模；绘图软件使用三维科技公司的EPS“三维测图”模块。本次POS数据解算可用率达到了99%，有效提高了无人机图像快速自动拼接的速度和质量。

虽然该飞机的PPK模块可以满足无像控成图，但稳定性不强。本项目使用RTK采集了大量的房角，其中12个点位用于像控点(平面和高程)，其余171个用于平面精度检查。同时采集了115个地面高程点用于高程精度检查。

3.4 成果精度分析

依据《城市测量规范》[5]1∶500地形图的测量精度要求：地物点相对于临近图根控制点的点位中误差不大于0.25 m，地物点间距中误差不大于0.2 m。高程点相对于临近图根点的高程中误差不大于0.15 m。

在后期处理得到DOM和DSM后，在该城市坐标系统和该城市高程系统下使用EPS软件的“立体测图”模块采集了171个平面点和115个高程点。经过比对，平面精度统计情况摘录如表3所示，高程精度统计情况摘要如表4所示。

经计算，平面中误差为0.114 m，高程中误差为0.073 m。通过对比，本次无人机大比例尺正射影像测图的平面中误差和高程中误差均能满足相关规范精度要求。

4 精度影响因素分析

表3 平面精度统计部分结果 m

表4 高程精度统计部分结果 m

4.1 相机

无人机的机载相机属于非量测型。相机镜头畸变差会造成相点坐标位移，使镜头中心、相点和对应的物点不能满足中心投影的光学共轭关系，从而降低配准精度[6]。

4.2 天气

户外作业，雾天、大风等天气因素对无人机的飞行和成像效果影响很大。能见度差或光线不强都会造成影像模糊，使DOM上的地物角点不易分辨，图3所示为弱光线对判别的影响。城区还应考虑雾霾影响；大风会造成无人机的姿态不稳定，造成重叠度减少甚至出现航飞漏洞。准确的预测天气有助于设计出更完善的飞行计划。

4.3 分辨率

对于特定的无人机，分辨率和航高成反方向相关。无人机低空航空摄影的分辨率优势实际上是一把双刃剑，分辨率与数据获取效率成反比，获取高分辨率是在牺牲效率的条件下实现的，因此在满足设计需要时应仔细权衡飞行高度的设置，不可一味的追求高分辨率。通过多次飞行分析，飞马F200无人机正射模块在分辨率优于3 cm时可满足1∶500比例尺成图精度，在5 cm分辨率时大部分情况下可满足成图要求，但可靠性存在一定疑问。更低的分辨率基本无法满足1∶500比例尺成图要求。

4.4 像控点

像控点的布设好坏对后期成图起着关键作用，免像控经过多次试验，稳定性存在一定问题。经多次处理测试，得出每架次至少布设5个像控点，像控点间距应控制在200 m以内的结论。若遇到地形起伏大等复杂地区，应加密像控点数量。

4.5 重叠率

重叠率是提高计算机自动拼接质量的重要保障，非量测相机偏离中心点的影像畸变大，重叠率提高可以增加相片的连接点，有效规避畸变影响。航向重叠率对测绘效率不造成影响。经测试验证，旁向重叠率超过70%即可满足无人机航测要求[7]。

5 结语

以某城市某地区某村两个村庄的1∶500大比例尺地形图正射影像测绘项目为切入点，结合了其他几次航飞所获得的经验，对无人机测绘的效果进行了部分归纳总结，试验证明成果精度达到了大比例尺地形图的要求。为进一步利用轻小型固定翼无人机应用于大比例尺地形图测绘项目做了有益尝试。因为无人机自身飞行载荷和效率与常规航空摄影测量相比还有一定的差距。但其较高的灵活性和低成本性可以作为常规航空摄影测量的有效补充。可以预见，随着技术的发展，软件的进步，无人机成本的降低，无人机摄影测量技术在测绘地理信息领域应用必将更加广泛[8]。