天宝X100无人机摄影测量试验

2013-05-15山西省电力勘测设计院李少龙

测绘通报 2013年8期

山西省电力勘测设计院李少龙

北京麦格天渱科技发展有限公司蒋国辉

一、引言

近年来，无人机(unmanned aerial vehicles，UAV)摄影测量技术发展迅速，在大比例尺地形图测绘领域得到了广泛应用。尽管如此，无人机操控难度大、数据处理过程复杂等因素在很大程度上制约了该技术的应用。

美国Trimble公司旗下Gatewing公司推出的无人机X100(天鹰)机身轻小、操作简便，国外的测试结果表明其摄影测量成果数据精度可达到平面5 cm、高程10 cm的水平。为了测试其性能，笔者选取一个面积约1 km2的公园作为试验区，利用X100实地采集航空影像，经空三处理后利用检查点对比计算其精度，分析和评价X100应用于大比例尺地形图测绘的可行性和适用性。

二、无人机系统介绍

天鹰X100由Trimble旗下的比利时Gatewing公司生产，机长60 cm，翼展100 cm，飞机使用碳纤维材料，净重2.2 kg，动力系统采用锂电池驱动无刷电机，巡航速度80 km/h，飞行高度100～750 m，续航时间45 min。飞机采用弹射起飞、机腹滑降模式，爬升、摄影和降落过程都按地面控制系统事先设定的路线自主完成(如图1所示)。

图1 X100无人机

无人机系统的硬件构成以自动驾驶仪EBOX为核心，连接电机、机翼动作杆等动力系统，导航GPS、气压计、空速传感器、陀螺仪、加速度计等构成的姿态传感及控制系统，数码相机，并通过数传电台与地面控制站进行实时通信。

X100搭载了一款理光GR digital 4高端卡片数码相机，CCD尺寸1/1.7英寸，分辨率为3648像素×2736像素，每个像素大小为2 μm，采用6 mm的定焦镜头。

三、试验过程

1.试验区概况与航摄方案设计

试验区位于某市一体育公园内，南北长约1.5 km，东西宽约1 km，平均海拔840 m，地形平坦。公园内有体育馆、道路、花圃等建构筑物和人工设施，便于选取影像分辨精度高的地面控制点。

在试验区测设了188个野外控制点。这些控制点均匀分布于试验场内，都是各类人工设施的拐角等，色彩对比明显，从像片上可以清晰辨认。控制点采用假设坐标系和假设高程系，使用天宝R8 GNSS实时动态模式测量，测量精度优于3 cm。航摄方案按区域网设计，主要技术参数见表1。无人机控制器自动设计摄影路线。

表1 航摄方案技术参数

2.数据获取

试验当天天气晴朗、能见度较高，风速约4～5级。起降场选择在试验区以东5 km的一块休耕的空地，按作业手册的要求，场地长度不小于100 m，宽度不小于30 m。

起飞前需在地面控制器上设置测区范围、航高、航向、旁向重叠度，以及起降位置等参数，并上传至飞机。

X100的弹射架为铝合金折叠装置，展开后长度3 m。弹射动力来自4根橡胶绳索，人工转动绞盘上紧后安置飞机，发射角度24°。

然后按作业手册规定逐项检查飞机工况，整个准备过程耗时约20 min。一切就绪后，点击控制面板上的紧急情况处理指令，按下发合闸，无人机被迅速弹出，电机自动启动，无人机即按照设定起飞路线爬升，飞向测区(如图2所示)。

X100飞行过程中向地面控制器实时回传航迹、航速、航高等参数，如有意外情况，通过控制器发出指令，飞机可以原地、左转300 m、右转300 m盘旋，或终止飞行任务，立即返航降落。

整个航摄过程用时90 min，共拍摄像片479张。

图2 X100弹射起飞

3.空三加密计算及结果分析

本次试验使用俄罗斯Agisoft PhotoScan软件进行空三加密计算。计算前利用相机检校参数对原始影像进行畸变纠正。模型连接完成后，人工加刺16个地面控制点，其中6个为检查点。平差后，6个检查点中平面位置不符值最大为0.09 m(Δx)和0.15 m(Δy)，高程不符值最大为0.14 m，计算界面如图3所示。

从平差结果可以看出，由于本次测试设计的航向和旁向重叠度比较大，自动提取的连接点多数达到9°以上重叠，连接强度大，只需少量地面控制点即可取得满意的平差结果。

图3 空三加密计算界面

4.现场检查结果分析

为了进一步检验精度质量，在试验场地中布设的地面控制点中选取了95个点，比较其GPS测量成果与立体模型中的人工测量成果，坐标及高程较差平均值分别为0.08 m(Δx)、0.07 m(Δy)和0.14 m(Δh)，对应的较差中误差分别为0.05 m、0.06 m和0.09 m。此结果也进一步说明了该试验区摄影测量的成果质量和精度符合1∶1000地形图成图的要求。图4为地面检查点高程较差的分布情况。