免像控无人机航摄系统在大比例尺地形图测量中的应用

马海政,强德霞

(1.甘肃省有色金属地质勘查局白银矿产勘查院，甘肃 白银 730900；2.甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020)

测绘是国民经济建设的基础性工作，如何快速、精准地获取更新现势基础数据，提高基础测绘工作效率，实时获取空间信息一直是大家关注的问题和面临的困难和挑战[1-2]。由于传统遥感载体平台无法实时遥测，且获取影像资料成本高，制作周期长，从而影响了遥感技术在各领域的应用发展[3]。无人机具有作业方式灵活、维护成本低、飞行高度低、获取影像分辨率高、拍摄范围广等优势，它的出现解决了小范围低空摄影测量的关键问题[4]。但无人机航摄系统也有一定的缺陷和不足，如目前用于测绘领域的无人机航摄系统搭载的都是非量测型数码相机，基高比小、像幅小、影像畸变大，对影像数据内业处理的精度一定程度上产生影响[2]。无人机航摄系统因飞行高度低受到气流影响时飞行姿态不稳定，导致影像航向、旁向重叠超差，对立体行高的扭曲和大比例尺成图精度都会产生影响[3]。

1 无人机航摄系统组成

无人机航摄平台由无人机飞行平台、遥感通信传感器系统、飞控系统、GPS实时动态差分系统和地面站数据处理系统组成[5]。拓普康天狼星Sirius Pro免像控无人机航摄系统飞行航高H和地面分辨率GSD在地面站MAVinci软件中自动计算，航高随地形起伏而变，自适应航高，以保证准确的重叠度[6]。将获取的影像数据和POS数据在MAVinci软件中进行匹配和相关参数设置并输出，进行数据后处理，无需相机参数校准，利用多视图三维重建技术生成高分辨率的产品有DOM影像、DEM模型、密集点云。

2 无人机航摄系统应用实例

2.1 测区概况

为了较好地对该系统航摄成果进行精度验证，分别对平塬区域和矿山山地区域所得成果进行研究分析。测区A为某通用机场前期地质勘查测量工程，要求成图1∶500比例尺地形图。地点位于青海省循化撒拉族自治县南部约35 km处高台平塬上，地势南高北低，内有大片农田和沙棘树，周边为沟壑地貌，地表植被较稀疏。测区B为地质找矿勘查测量工程，要求成图1∶2000比例尺地形图。地点位于甘肃省瓜州县南约50 km的某乡镇荒漠区域，西北方为高山地，东南方为荒漠平地，中间区域有时令河和沼泽地貌，附有农田和房屋，地物类型丰富。

2.2 航摄技术设计方案

无人机低空摄影测量系统测绘大比例尺地形图的工作内容主要包括测区野外基准站测设、影像数据获取和匹配、影像数据后处理和数据成果制作输出[5]，具体作业流程如图1所示。

图1 航摄技术流程

2.3 影像数据获取

根据测区A和测区B现势地貌情况，设计航线为多边形状，通过影像粗略匹配，自动对任务区进行最佳切割并在后处理中有效合并，提高飞行效率[4]。测区A设置地面采样距离为3 cm，航高为117 m；测区B设置地面采样距离为12 cm，航高为466 m。两者航向重叠为85%，最小航向重叠为75%，旁向重叠为65%，地面采样距离容许差为30%。

将地面站、无线电台和飞机进行网络链接配对，通过地面站系统将设计好的航线文件数据发送至飞控系统。无人机落地后，通过地面站系统进行影像数据和POSS数据匹配，检查影像数据合格后再进行下一架次航摄作业[7]。

2.4 影像数据后处理

加载匹配飞行PMT文件，设置好相关坐标参数数据导入Agisoft PhotoScan Pro软件中。结合基准站坐标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，选择无地面控制处理进行全自动化数据后处理[8-9]。最终生成高精度的DOM影像、DEM高程模型和密集点云数据。

利用EPS三维立体测图软件对DLG数据采集编辑和图形制作输出，同时生成3D立体模型[10-11]。

3 成图精度分析研究

为了验证无人机航摄系统正射影像数据精度，需要对获取的影像数据进行质量检测[12]。航拍前分别在测区A和测区B航摄范围内均匀布设了8个和6个测量标靶(1.60 m×1.60 m)作为检测点，要求成“弓”字形布设在地势相对平坦的地方或者硬化路面上。

文献[13]结合实际试验和应用，发现采用高程二次定向，可以有效地控制高程误差，从而使最终航测成果满足航测规范精度要求。利用RTK固定解对上述检测点分别进行4次测量，点位较差小于2 cm的取其平均值作为最终成果，在立体测图中选取检测点作精度比较，见表1—表2。

表1 测区A检测点精度比较(1∶500) m

表2 测区B检测点精度比较(1∶2000) m

经过表1和表2中检测点精度分析，两个测区的平面和高程精度较高，检测精度均在规范及设计要求限差内，完全满足1∶500和1∶2000地形图成图要求，符合国家测绘产品标准化和规范化的要求[14-15]。

4 结 语

本文讨论了免像控无人机应用在小区域大比例尺地形图测绘中的一些技术革新。免像控技术的产生可把像控点按航线均匀的分配在空中，在一个测区内只设一个基准站，无人机自带数据更新率100 HZ的双频双星GNSS RTK,能够精准地定位每张相片的几何位置中心和飞机飞行航线，机载高精度POSS信息准确地反映飞机在飞行中的姿态，很大程度上减小了航摄时像片倾角和旋角过大带来的影像变形，从而得到了高分辨率高精度的正摄影像数据。

通过本文案例工程分析了该无人机航摄系统的特点，详细介绍了如何测绘1∶500和1∶2000地形图的具体工作流程和技术应用，并对生成的影像图和输出的地形图精度进行了评定，完全满足规范精度要求。