基于天狼星無人機(jī)大比例尺測圖精度分析

 攝影測量在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史中經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別為模擬攝影測量階段、解析攝影測量階段和數(shù)字?jǐn)z影測量階段【1】，現(xiàn)如今，已經(jīng)全面步入數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代。在國家開放低空空域，深化低空空域管理改革的背景下【2】，小型化的無人機(jī)航空攝影測量，開始逐步被測繪、林業(yè)、礦業(yè)、交通、水利、電力等行業(yè)所接納，并用于大比例尺測圖、地籍測量、智慧城市建設(shè)、災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急保障快速測繪、國家基礎(chǔ)測繪等項(xiàng)目。然而，大比例尺數(shù)字測圖要求點(diǎn)位精度高，野外數(shù)據(jù)采集的方法必須準(zhǔn)確可靠【3】。拓普康天狼星無人機(jī)航測系統(tǒng)作為一種新型的航測技術(shù)，彌補(bǔ)了中低空普通航空大比例尺測圖出現(xiàn)的不足，成為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取的一個(gè)新手段。我們也隨之意識到，努力提高量測精度和作業(yè)水平，這是保證航測大比例尺成圖精度的重要措施【4】。本文通過天狼星無人機(jī)進(jìn)行小范圍實(shí)際測圖，以1：500大比例尺測圖標(biāo)準(zhǔn)為參考，對其測圖精度驗(yàn)證分析。 　　1 天狼星無人機(jī)航攝系統(tǒng) 天狼星(Sirius PRO)無人機(jī)測圖系統(tǒng)是美國拓普康定位系統(tǒng)公司研制的高精度無人機(jī)測圖系統(tǒng)，通過高精度的定位定向(Position and Orientation System，POS)系統(tǒng)記錄高精度姿態(tài)參數(shù)【5】，可大大節(jié)省整個(gè)航空攝影加密測圖流暢的工作時(shí)間【6】，能顯著提高作業(yè)速度【7】。它配備有從飛行計(jì)劃、影像獲取、后處理到數(shù)據(jù)分析的全套軟件，屬于微型電動(dòng)固定翼RTK航空測圖系統(tǒng)。 　　1.1 無人機(jī)飛行平臺 拓普康天狼星(Sirius PRO)無人機(jī)采用了富士XM1相機(jī)，APS-C-X-Trans CMOS傳感器，對不同的高精度3D城市建模、高清影像航測應(yīng)用需求提供了最大的滿足。手拋式起飛，在執(zhí)行航測飛行任務(wù)和返回著陸過程中始終保持自動(dòng)駕駛的穩(wěn)定飛行姿態(tài)，抵御不良天氣，保證成像穩(wěn)定并自動(dòng)化操作。 拓普康天狼星將100Mz RTK模塊集成到無人機(jī)內(nèi)，在無人機(jī)航測領(lǐng)域內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了無地面像控的測量方式，利用實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)固定解具有厘米級精度的RTK技術(shù)和無人機(jī)相結(jié)合，實(shí)時(shí)獲取曝光點(diǎn)空間位置達(dá)到無像控，從而實(shí)現(xiàn)無地面控制的高精度、實(shí)時(shí)攝影測量與遙感【8】，以更便利快捷的方式采集野外數(shù)據(jù)，使得外業(yè)測量工作強(qiáng)度降低，改善了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在數(shù)字?jǐn)z影測量時(shí)代，少用地面控制點(diǎn)或無地面像控不但可以減輕野外測量強(qiáng)度，縮短作業(yè)周期，而且可以提高航空攝影測量作業(yè)的自動(dòng)化強(qiáng)度【9】。 　　1.2 數(shù)據(jù)通訊 天狼星的通訊模式與傳統(tǒng)無人機(jī)不同，它的遙控器和連接器采用的是一種獨(dú)立雙通訊的鏈路，如果其中的一條鏈路出現(xiàn)故障，這時(shí)另外一條鏈路也可以提供完整的控制，這種通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)了雙備份的功能，為安全飛行提供了最有力的保障。 　　1.3 配套軟件 天狼星標(biāo)準(zhǔn)配套軟件主要包括飛行計(jì)劃軟件MAVinci Desktop和影像后處理軟件PhotoScan Pro。通過這兩種主配套軟件，用戶通過一鍵式后處理接口，實(shí)現(xiàn)正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM和點(diǎn)云三種不同類型的生產(chǎn)結(jié)果。不僅如此，用戶還可選擇多種數(shù)據(jù)加工和編輯平臺滿足不同的需求，實(shí)現(xiàn)生成等高線、體積量計(jì)算、DLG編輯、虛擬測量等不同功能。 　　2 拓普康天狼星無人機(jī)1：500地形圖施測　　2.1 項(xiàng)目測區(qū)概況 測區(qū)位于上海市崇明區(qū)某農(nóng)田附近。測量面積為0.058km2，測區(qū)大部分為水田，中間交叉鄉(xiāng)村水泥小路，交通條件便捷，測區(qū)地勢起伏平緩，植被主要為水稻、草地和蘆葦，通視條件較好。 　　2.2 作業(yè)航飛 根據(jù)測區(qū)現(xiàn)狀以及天狼星無人機(jī)成圖比例尺1：500測圖精度驗(yàn)證分析需求，選擇目標(biāo)區(qū)域和期望的地面采樣距離后，飛行計(jì)劃軟件Desktop軟件自動(dòng)創(chuàng)建獨(dú)立的飛行計(jì)劃，飛行相對航高127m，地面分辨率3cm，航向重疊率80%，旁向重疊度70%，設(shè)計(jì)航線手拋式起飛進(jìn)行航測數(shù)據(jù)采集。 在航飛之前，為檢驗(yàn)航測精度，在測區(qū)范圍內(nèi)噴繪擺設(shè)10處50cm×50cm十字檢測靶標(biāo)，均勻分部在測區(qū)內(nèi)，用每個(gè)檢測靶標(biāo)中心點(diǎn)作為檢測點(diǎn)。使用測區(qū)附近D級GPS控制網(wǎng)的控制點(diǎn)作為控制基礎(chǔ)，坐標(biāo)系統(tǒng)為BJ54坐標(biāo)系，3°帶投影，中央經(jīng)線121.466667E，利用RTK技術(shù)，在固定解狀態(tài)下進(jìn)行測量，為保證檢測點(diǎn)自身精度，每個(gè)檢測點(diǎn)在測量過程中進(jìn)行3次采集，取其平均值作為最終成果【10】。 　　2.3 數(shù)據(jù)處理 攝影測量大數(shù)據(jù)的處理是現(xiàn)階段攝影測量迫切需要解決的問題【11】，天狼星無人機(jī)對此做了很大的改善。本次項(xiàng)目航飛完成后，通過MAVinci Desktop對高精度POS數(shù)據(jù)的下載和航飛影像的自動(dòng)匹配，導(dǎo)入PhotoScan Pro數(shù)據(jù)處理軟件，是一款由俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件，它根據(jù)多視圖三維重建技術(shù)，可以對任意照片進(jìn)行處理【12】，無需控制點(diǎn)，無需人工干預(yù)的情況下【13】，實(shí)現(xiàn)航測成果中DOM和DEM產(chǎn)品的自動(dòng)生成，生產(chǎn)結(jié)果疊加后導(dǎo)入清華三維EPS 3DSurvey中進(jìn)行“裸眼畫3D”的新型工作模式立體測圖。本文項(xiàng)目測區(qū)航飛時(shí)間為9分鐘，航攝167張影像，軟件處理匹配時(shí)間1小時(shí)7分鐘，校準(zhǔn)優(yōu)化時(shí)間5分鐘46秒，密集點(diǎn)數(shù)量16012906個(gè)，深度過濾處理時(shí)間12分45秒，重建測區(qū)DEM，如圖1所示。

 圖1 重建DEM 　　3 精度檢核分析 從本次項(xiàng)目Agisoft PhotoScan+MAVinci插件的處理報(bào)告中獲悉航攝日志相關(guān)參數(shù)，可以反映相機(jī)位置精度。在后處理得到正射影像和DSM后，從正射影像上量測了均勻分布的10個(gè)標(biāo)志檢測點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并在DSM上量測了對應(yīng)的高程，對天狼星無人機(jī)航測平面精度和高程精度進(jìn)行檢驗(yàn)。 　　3.1 相機(jī)位置和誤差估計(jì)分析 天狼星無人機(jī)的POS系統(tǒng)作為航空攝影測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)傳感器，集慣性導(dǎo)航技術(shù)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)于一體，可實(shí)時(shí)獲取載體位置姿態(tài)。POS系統(tǒng)輔助航空攝影測量，獲得高精度定位定向信息【14】，其優(yōu)越性獲得測繪領(lǐng)域高度認(rèn)同。本文通過對相機(jī)位置的誤差估計(jì)來反映其精度。如圖2所示，可以直觀形象的反映誤差的大小以及分布情況，Z誤差由橢圓的顏色表示，X、Y的誤差由橢圓的形狀表示，估計(jì)的相機(jī)位置用一個(gè)黑點(diǎn)標(biāo)記。

  圖2 相機(jī)位置和誤差估計(jì)解析圖 表1數(shù)據(jù)反映的是圖2整體的平均誤差統(tǒng)計(jì)，可知，線元素X、Y的平均位置誤差在2cm內(nèi)，Z的平均位置誤差小于3mm，因此可以滿足1：500大比例尺測圖的精度要求。

        表1 相機(jī)位置平均誤差 m

       3.2 平面精度 表2 平面數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 高程精度

表3 高程數(shù)據(jù)差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

 注：H1指靶標(biāo)中心點(diǎn)RTK技術(shù)實(shí)測高程;H2指DEM檢測點(diǎn)獲取對應(yīng)靶標(biāo)中心點(diǎn)高程。 　　 4 結(jié)語 天狼星無人機(jī)作業(yè)成本低、自動(dòng)化程度高，在采集像片的同時(shí)，同步完成控制點(diǎn)的布設(shè)，取代傳統(tǒng)的地面控制點(diǎn)，一次飛行采集的控制點(diǎn)平面和高程精度都是RTK厘米級精度，借助RTK技術(shù)幫助我們作業(yè)需要獲取高精度航空制圖成果，顯著減輕了野外作業(yè)強(qiáng)度，為航測工作提供了更多的便利。本文通過對天狼星無人機(jī)實(shí)際測圖數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，滿足1:500大比例尺測圖要求，進(jìn)一步證明了天狼星無人機(jī)的實(shí)用性和可靠性，值得推廣和應(yīng)用。

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