无人直升机摄影测量系统的设计与验证

薛 武，张永生，戴晨光，赵 玲，包全福

(1. 信息工程大学,河南 郑州 450001; 2. 地理信息工程国家重点实验室,陕西 西安 710054; 3. 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室,河南 焦作 454003; 4. 91039部队,北京 102400； 5. 95806部队,北京100076)

无人直升机摄影测量系统的设计与验证

薛 武1,2,3，张永生1，戴晨光1，赵 玲4，包全福5

(1. 信息工程大学,河南 郑州 450001; 2. 地理信息工程国家重点实验室,陕西 西安 710054; 3. 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室,河南 焦作 454003; 4. 91039部队,北京 102400； 5. 95806部队,北京100076)

针对目前已有的无人机摄影测量系统存在的精度不高、依赖起降场地、续航能力差等问题，设计并实现了无人直升机摄影测量系统，该系统将Phase相机、Applanix POS设备集成在3轴稳定对地观测吊舱内，具有垂直起降、载荷量大、续航能力强、测量精度高等优势。在嵩山遥感定标场开展了测试飞行，结果表明：系统直接地理定位精度较高，可用于应急测图；在少量控制点参与下，系统定位精度远优于1∶500测图要求，可用于大比例尺测图，具有重要的推广应用价值。

无人直升机;光电吊舱;摄影测量;嵩山定标场;精度验证

随着无人机技术的快速发展与应用，利用无人机平台进行遥感测绘成为摄影测量与遥感的研究热点和重要发展方向[1-6]。国内外学者针对不同平台(固定翼、多旋翼等)、不同传感器(可见光、多光谱、激光雷达等)的无人机系统进行了测量精度验证和工程应用研究，结果表明无人机作为遥感平台具有明显的优势和很大的潜力，但是很多问题也亟待解决，如无人机起降方式、平台的稳定性和可靠性、获取数据的质量等。这些问题制约着无人机遥感测绘的进一步发展与推广[7-8]。

目前，中小型固定翼无人机的测绘应用最为广泛，如天宝公司的UX3测绘无人机、拓普康公司的“天狼星”无人机、EBee的senseFly全自动迷你型无人机等。针对无人机数据特点的后处理软件也得到快速发展，如瑞士pix4D公司的pix4D Mapper、Agisoft公司的Photoscan Pro、Menci公司的Menci APS等。上述无人机在小区域测绘(通常面积<10 km2，如工程测量、灾害应急救援等)中发挥了重要作用，但仍然有许多有待改进提高之处。如中小型固定翼无人机续航能力较差，对于100 km2量级的测区需多次飞行，费时费力，后期的接边与几何处理十分繁琐；固定翼无人机通常需要跑道滑跑起飞或着陆，这在很多情况下难以保障，特别是发生地震、泥石流等自然灾害需要应急测图的情况下；目前大多数无人机上搭载的相机为普通卡片机或单反相机，量测精度较差，特别是高程精度难以满足大比例尺测图的要求。

国内外学者针对无人机摄影测量的研究主要包括两方面：一是传感器集成与应用，即如何结合无人机平台的特点合理设计载荷，以获取质量好的数据，使之尽可能符合已有的航空摄影规范要求[2-3]；二是无人机数据处理，主要研究如何提高量测定位精度、数据处理自动化程度及数据处理速度[9-11]。两方面的研究是相互制约、相互促进的，无人机平台、载荷的发展完善可以使采集的数据质量更好，降低后处理的难度，而数据后处理手段的进步可以降低对于数据获取的要求，使数据采集更加灵活简便。

本文拟针对已有的无人机测绘系统存在的问题，设计研发无人直升机摄影测量系统。无人直升机不依赖于机场，可以垂直起降，汽油发动机提供动力，续航能力强，测控半径大，利用3轴稳定光电吊舱搭载大面阵CCD相机和POS设备，可以快速完成困难地区大比例尺测图任务。嵩山遥感定标场进行测试飞行表明，该系统完全满足1∶500大比例尺测图的规范要求，具有重要意义。

1 无人直升机摄影测量系统

为了解决无人机应用中遇到的上述问题，笔者所在院校围绕无人机航测改造、多传感器集成、基于试验场的多传感器系统检校持续开展攻关工作[1-3，5-6]。在对已有国产无人机平台进行考核与改进的基础上，设计了无人直升机摄影测量系统。该系统主要由无人直升机、Phase One iXA180面阵CCD相机、POS AV310组合导航系统、VS-3对地观测光电吊舱等组成，下面分别予以介绍。

1.1 无人直升机平台

近年来，我国在无人直升机的研发方面取得了显著的技术进步，某研究所研制的系列无人直升机是一种性能良好的空中平台，它集遥控、遥测、GPS导航、空中成像、自动控制等多项软、硬件技术于一体，如图1所示。其任务载荷可达80 kg，续航时间大于6 h，有效测控半径不少于100 km。该型无人机在配备不同的任务设备时，可分别作为监控侦察机、无线中继机、电子干扰机等应用。之所以选择无人直升机，是因为其具有起降方便，不依赖于机场，可以空中悬停，可以绕飞、倒飞等优点，这些特点是固定翼无人机所不具备的，在抢险救灾、反恐维稳等应急条件下可以发挥重要的作用。

图1 无人直升机

1.2 机载任务载荷

无人机上搭载了丹麦的Phase One iXA180中画幅航空面阵CCD相机，如图2所示。镜头为Schneider-Kreuznach的55 mm镜头，CCD由Dalsa公司制造，尺寸53.9 mm×43.4 mm，像素数为8000万。在超大画幅超高像素的基础上，Phase One新机还拥有16 bit色彩、12.5级动态范围，影像质量良好。

图2 Phase One iXA180面阵CCD相机

为了在摄影的同时获取影像高精度的外方位元素，系统集成了POS AV310组合导航系统，其性能参数见表1。

表1 POS AV310性能参数

1.3 VS-3对地观测光电吊舱

为了尽可能避免无人机飞行过程中的振动对载荷的影响，抵消侧风引起的影像旋偏，无人机上搭载了中船717研究所研制的VS-3对地观测光电吊舱，如图3所示。无人机吊舱配置传感器后，具有3轴稳像、振动隔离功能，可以对地面进行数码拍照及高清成像。实时输出可见光视频，利用外部GPS实现传感器的时间同步，同时实现传感器正射成像拍照，具有像旋偏角修正功能。光电吊舱的3轴回转范围：航向为±30°，横滚为±10°，俯仰为±12°。

图3 对地观测光电吊舱

1.4 系统评价

就目前来看，本文所设计的无人直升机摄影测量系统的各项指标均处于领先水平。无论是平台的载荷量、续航时间、测控半径，还是POS的精度、相机的幅面和几何性能，均为在目前工业水平下所能达到的较理想状态。前沿的设计理念、先进的硬件配置，为获取高质量的航摄数据提供了坚实的基础。

2 系统飞行测试情况

为了验证平台的可靠性、稳定性、任务载荷协同工作情况，在青海茶卡盐湖、安徽滁州等地开展了多次测试飞行(如图4所示)，并在中国(嵩山)遥感定标场开展了定位精度验证飞行试验。

图4 无人机航测遥感试验

嵩山遥感定标场(如图5所示)是由信息工程大学、武汉大学与中国资源卫星应用中心合作建设的航空航天遥感定标场。其中的航空几何定标场面积约为64 km2，共分区布设了214个永久性高精度控制点(平面精度优于2 mm，高程精度优于1 cm)，并定期更新固定标志，用于各种航空相机或传感器的检定[12-13]，控制点的分布如图5所示。

图5 嵩山航空定标场控制点分布

2015年10月12日、13日，无人机摄影测量系统在嵩山定标场开展了飞行试验。10月12日在卫星遥感定标场飞行一个架次，10月13日在航空几何定标场飞行两个架次，具体飞行情况如表2、图6—图8所示。

表2 嵩山定标场飞行情况

图6 卫星遥感定标场航迹

图7 航空几何定标场航迹(a)

图8 航空几何定标场航迹(b)

3 系统精度验证试验

3.1 数据处理流程

无人机飞行结束后，对航空几何定标场5 cm分辨率影像进行了几何处理，将影像数据、POS数据下载到后处理平台，按照内业处理流程进行了系统精度验证，主要流程如图9所示。

图9 数据处理流程

3.2 精度验证试验

在航空几何定标场内，选择了成像清晰、分布相对均匀的21个地面埋石点(如图10所示)，并量测其像方坐标。首先进行直接地理定位精度验证试验，将21个控制点作为地面检查点，将机载POS数据作为影像外方位元素，根据多片前方交会的数学模型[14-16]

(1)

按照最小二乘原理计算检查点物方坐标，并统计检查点残差中误差，见表3。

表3 检查点物方残差中误差 m

为了提高定位精度，特别是尽量剔除系统误差的影响，引入少量地面控制点参与区域网平差，平差过程中利用9个地面控制点、12个地面检查点。控制点、检查点分布如图10所示。

图10 控制点、检查点分布

根据POS辅助自检校光束法区域网平差的数学模型，将机载POS数据作为带权观测值进行自检校光束法平差，模型如下

(2)

式中，Vx、Vc、Vs、Vg、Vi分别为像点坐标、地面点坐标、自检校参数、GPS摄站坐标和IMU像片姿态角观测值的改正数向量；x=[ΔXΔYΔZ]T为加密点坐标未知数改正数向量；t=[ΔωΔφΔκΔXSΔYS

统计检查点的残差中误差见表4，残差分布如图11所示。

表4 检查点物方残差中误差 m

3.3 结果分析

利用机载POS数据进行直接地理定位能够取得较高的精度，在应急情况下，可以不经过空中三角测量，直接进行目标定位、影像正射纠正等，提供目标三维坐标、正射影像等测绘保障产品。

图11 检查点物方残差

在引入少量控制点后，无人直升机摄影测量系统的几何定位精度得到了显著提升，参考国家测绘地理信息局颁布的《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》中1∶500地形图精度要求(见表5)，系统定位精度远优于规范要求，完全满足大比例尺地形图测绘的需求，可以应用于基础测绘。

表5 《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》中1∶500地形图空三精度要求 m

4 结 语

基于中型无人直升机遥感平台，设计并实现了无人直升机摄影测量系统，对系统的组成进行了较为详细的介绍。与其他无人机摄影测量系统相比，该系统具有载荷量大、垂直起降、续航能力强、测控半径大、性能先进等明显优势。在嵩山遥感定标场进行了飞行试验，对系统的定位精度进行了评估，结果表明该系统直接地理定位精度较高，可以满足应急测绘的需要，少量控制点参与下的区域网平差精度完全满足1∶500大比例尺测图的要求，达到了预期的设计目标，具有重要的推广应用价值。

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Design and Validation of Unmanned Helicopter Photogrammetric System

XUE Wu1,2,3,ZHANG Yongsheng1,DAI Chenguang1,ZHAO Ling4,BAO Quanfu5

(1. Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China; 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054,China; 3. Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of National Adminisration of Surveying, Mapping & Geoinformation,Jiaozuo 454003,China; 4. 91039 Troops,Beijing 102400,China; 5. 95806 Troops,Beijing 100076,China)

Aiming at the problems of existing UAV mapping systems,such as low accuracy,depending on takeoff and landing site,poor endurance and so on,a photogrammetric system based on unmanned helicopter has been designed and developed. With Phase camera,Applanix POS equipment integrated in the three-axis stabilized earth observation pod，the system has the advantages of vertical takeoff and landing, great loading capacity, strong endurance ability and high measurement accuracy. Test flights were carried out in Songshan remote sensing calibration field. The results show that the system owns high accuracy of direct geolocation, and so can be used for emergency mapping. With the participation of a small number of control points, the positioning accuracy of the system is far better than 1∶500 mapping requirements, and the system can also be used for large scale mapping, which has important application value.

unmanned helicopter; optical pod; photogrammetry; Songshan calibration field; accuracy verification

薛武，张永生，戴晨光,等.无人直升机摄影测量系统的设计与验证[J].测绘通报，2017(4)：58-62.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0120.

2016-09-12;

2017-02-06

国家自然科学基金(41501482);地理信息工程国家重点实验室开放研究基金(SKLGIE2014-M-3-1);矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金(KLM201404);军事测绘导航工程军队重点实验室开放基金

薛 武(1988—)，男，博士生，研究方向为无人机摄影测量。E-mail:xuewu_81@126.com

P23

A

0494-0911(2017)04-0058-05