基于天狼星无人机大比例尺测图精度分析

 摄影测量在摄影技术发展的历史中经历了三个阶段，分别为模拟摄影测量阶段、解析摄影测量阶段和数字摄影测量阶段【1】，现如今，已经全面步入数字摄影测量时代。在国家开放低空空域，深化低空空域管理改革的背景下【2】，小型化的无人机航空摄影测量，开始逐步被测绘、林业、矿业、交通、水利、电力等行业所接纳，并用于大比例尺测图、地籍测量、智慧城市建设、灾害监测、应急保障快速测绘、国家基础测绘等项目。然而，大比例尺数字测图要求点位精度高，野外数据采集的方法必须准确可靠【3】。拓普康天狼星无人机航测系统作为一种新型的航测技术，弥补了中低空普通航空大比例尺测图出现的不足，成为基础地理信息数据获取的一个新手段。我们也随之意识到，努力提高量测精度和作业水平，这是保证航测大比例尺成图精度的重要措施【4】。本文通过天狼星无人机进行小范围实际测图，以1：500大比例尺测图标准为参考，对其测图精度验证分析。 　　1 天狼星无人机航摄系统 天狼星(Sirius PRO)无人机测图系统是美国拓普康定位系统公司研制的高精度无人机测图系统，通过高精度的定位定向(Position and Orientation System，POS)系统记录高精度姿态参数【5】，可大大节省整个航空摄影加密测图流畅的工作时间【6】，能显著提高作业速度【7】。它配备有从飞行计划、影像获取、后处理到数据分析的全套软件，属于微型电动固定翼RTK航空测图系统。 　　1.1 无人机飞行平台 拓普康天狼星(Sirius PRO)无人机采用了富士XM1相机，APS-C-X-Trans CMOS传感器，对不同的高精度3D城市建模、高清影像航测应用需求提供了最大的满足。手抛式起飞，在执行航测飞行任务和返回着陆过程中始终保持自动驾驶的稳定飞行姿态，抵御不良天气，保证成像稳定并自动化操作。 拓普康天狼星将100Mz RTK模块集成到无人机内，在无人机航测领域内首次实现了无地面像控的测量方式，利用实时差分数据固定解具有厘米级精度的RTK技术和无人机相结合，实时获取曝光点空间位置达到无像控，从而实现无地面控制的高精度、实时摄影测量与遥感【8】，以更便利快捷的方式采集野外数据，使得外业测量工作强度降低，改善了工作效率，节约了生产成本。在数字摄影测量时代，少用地面控制点或无地面像控不但可以减轻野外测量强度，缩短作业周期，而且可以提高航空摄影测量作业的自动化强度【9】。 　　1.2 数据通讯 天狼星的通讯模式与传统无人机不同，它的遥控器和连接器采用的是一种独立双通讯的链路，如果其中的一条链路出现故障，这时另外一条链路也可以提供完整的控制，这种通讯机制实现了双备份的功能，为安全飞行提供了最有力的保障。 　　1.3 配套软件 天狼星标准配套软件主要包括飞行计划软件MAVinci Desktop和影像后处理软件PhotoScan Pro。通过这两种主配套软件，用户通过一键式后处理接口，实现正射影像DOM、数字表面模型DSM和点云三种不同类型的生产结果。不仅如此，用户还可选择多种数据加工和编辑平台满足不同的需求，实现生成等高线、体积量计算、DLG编辑、虚拟测量等不同功能。 　　2 拓普康天狼星无人机1：500地形图施测　　2.1 项目测区概况 测区位于上海市崇明区某农田附近。测量面积为0.058km2，测区大部分为水田，中间交叉乡村水泥小路，交通条件便捷，测区地势起伏平缓，植被主要为水稻、草地和芦苇，通视条件较好。 　　2.2 作业航飞 根据测区现状以及天狼星无人机成图比例尺1：500测图精度验证分析需求，选择目标区域和期望的地面采样距离后，飞行计划软件Desktop软件自动创建独立的飞行计划，飞行相对航高127m，地面分辨率3cm，航向重叠率80%，旁向重叠度70%，设计航线手抛式起飞进行航测数据采集。 在航飞之前，为检验航测精度，在测区范围内喷绘摆设10处50cm×50cm十字检测靶标，均匀分部在测区内，用每个检测靶标中心点作为检测点。使用测区附近D级GPS控制网的控制点作为控制基础，坐标系统为BJ54坐标系，3°带投影，中央经线121.466667E，利用RTK技术，在固定解状态下进行测量，为保证检测点自身精度，每个检测点在测量过程中进行3次采集，取其平均值作为最终成果【10】。 　　2.3 数据处理 摄影测量大数据的处理是现阶段摄影测量迫切需要解决的问题【11】，天狼星无人机对此做了很大的改善。本次项目航飞完成后，通过MAVinci Desktop对高精度POS数据的下载和航飞影像的自动匹配，导入PhotoScan Pro数据处理软件，是一款由俄罗斯Agisoft公司研发的一款基于影像自动生成高质量三维模型的软件，它根据多视图三维重建技术，可以对任意照片进行处理【12】，无需控制点，无需人工干预的情况下【13】，实现航测成果中DOM和DEM产品的自动生成，生产结果叠加后导入清华三维EPS 3DSurvey中进行“裸眼画3D”的新型工作模式立体测图。本文项目测区航飞时间为9分钟，航摄167张影像，软件处理匹配时间1小时7分钟，校准优化时间5分钟46秒，密集点数量16012906个，深度过滤处理时间12分45秒，重建测区DEM，如图1所示。

 图1 重建DEM 　　3 精度检核分析 从本次项目Agisoft PhotoScan+MAVinci插件的处理报告中获悉航摄日志相关参数，可以反映相机位置精度。在后处理得到正射影像和DSM后，从正射影像上量测了均匀分布的10个标志检测点的平面坐标，并在DSM上量测了对应的高程，对天狼星无人机航测平面精度和高程精度进行检验。 　　3.1 相机位置和误差估计分析 天狼星无人机的POS系统作为航空摄影测量系统的基准传感器，集惯性导航技术和卫星导航技术于一体，可实时获取载体位置姿态。POS系统辅助航空摄影测量，获得高精度定位定向信息【14】，其优越性获得测绘领域高度认同。本文通过对相机位置的误差估计来反映其精度。如图2所示，可以直观形象的反映误差的大小以及分布情况，Z误差由椭圆的颜色表示，X、Y的误差由椭圆的形状表示，估计的相机位置用一个黑点标记。

  图2 相机位置和误差估计解析图 表1数据反映的是图2整体的平均误差统计，可知，线元素X、Y的平均位置误差在2cm内，Z的平均位置误差小于3mm，因此可以满足1：500大比例尺测图的精度要求。

        表1 相机位置平均误差 m

       3.2 平面精度 表2 平面数据差值统计结果

3.3 高程精度

表3 高程数据差值统计结果

 注：H1指靶标中心点RTK技术实测高程;H2指DEM检测点获取对应靶标中心点高程。 　　 4 结语 天狼星无人机作业成本低、自动化程度高，在采集像片的同时，同步完成控制点的布设，取代传统的地面控制点，一次飞行采集的控制点平面和高程精度都是RTK厘米级精度，借助RTK技术帮助我们作业需要获取高精度航空制图成果，显著减轻了野外作业强度，为航测工作提供了更多的便利。本文通过对天狼星无人机实际测图数据进行精度分析，满足1:500大比例尺测图要求，进一步证明了天狼星无人机的实用性和可靠性，值得推广和应用。

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