免像控无人机在地形图测绘中的应用

朱振琦 贺烨 郑道保 宋良东 郑乾科 袁其乐

摘要：近年来无人机航空摄影技术在基础测绘、国土资源调查、环境监测领域得到了广泛的应用和认可，成为一种重要的数据采集手段。目前，外业数据采集手段多样化，无人机航测已经是常见的数据采集手段。所谓的免像控就是不需要人工进行地面像片控制测量，无人机上装载POS定位定向系统，根据地面基站，实时获取像片的外方位元素，应用共线条件方程求得地面加密点的坐标。但是在无人机作业过程中，飞行航线设计、影像获取、数据处理等各个环节都会影响作业效率及成果精度。本文就免像控无人机在地形图测绘中的应用展开探讨。

关键词:无人机;免像控;作业效率;图形精度

引言

测区概况：该测区位于山西隰县县域，航飞面积1.8Km²，地形条件主要以丘陵、山地和平地为主，设计地面分辨率3cm,飞行高度388m，航向重叠85%，旁向重叠70%。

1无人机航摄系统简介

1.1飞行平台

无人机飞行平台内部载有影像传感器、自动驾驶模块和RTK测量模块。

1.2飞行规划控制系统

飞行规划控制软件可以实时监控无人机的飞行高度、航迹、飞行姿态等数据，还可进行任务航线规划与高度设置、多飞行任务规划、多区域飞行、立面模型导入、实时天气更新、自动化适应地形的3D飞行规划等。

1.3地面监控系统

地面监控系统包括地面监控软件和无线遥控器等。通过地面监控软件可以实时监控无人机的飞行高度、航迹、飞行姿态等数据，确保地面监控人员能及时了解无人机的飞行状况，保证飞行任务的顺利完成。另外该套软件也是航测系统的飞控软件，用于制定飞行计划实现自适应地势起伏。

1.4地形图测绘

利用真正射影像和数字高程模型，在EPSD2D绘图软件上生成三维模型数据，数据格式为DSM。在三维模型上进行矢量化，主要有建筑物及构筑物、道路及道路附属设施、河流及桥梁、线杆、路灯、沟坎、地类范围等能够辨认的各类地物。高程数据采集主要从点云中筛选出正确的高程数据，然后展绘到数字线划图中。由于试验区的植被覆盖度较高，严重影响了内业高程数据点的采集，因此在植被覆盖区域采用全站仪实测部分高程数据，作为筛选正确高程数据的参考。

2免像控无人机在地形图测绘中的应用

2.1采用设备

该测区采用天狼星无控无人机，该无人机主要由硬件设备系统、影像处理系统、信息分析系统构成：（1）硬件设备系统：无人机飞行平台、飞行控制系统、地面监控系统、发射与回收系统；遥感任务设备、稳定装置、影像位置和姿态采集系统。（2）影像处理系统：影像数据快速检查、纠正、拼接系统；DOM、DEM、DLG生产系统。（3）信息分析系统：信息提取、信息分析、报告自动生成、数据管理与检索系统。

2.2无控无人机航测技术方法

2.2.1影像获取

在测区内选择视野开阔，有利于飞机起飞、降落，以及信号无遮挡的区域架设基准站。测量基站点坐标，量取天线高，并记录。将制定好的飞行计划发送到无人机，飞机在接收到指令后按照已经规划好的航线进行飞行，并将飞行姿态数据实时传送到地面。根据照片的重叠度，无人机自动计算出拍摄每张照片的时间间隔，拍摄的照片存储在相机内存卡中。在拍摄过程中，无人机时刻保持与地面基站的连接，并且为固定解状态。地面工作站通过连接器实时监控无人机的飞行状态，飞行计划完成后，无人机会自动降落到指定地点或者通过人工遥控降落至地面。

2.2.2测区踏勘

利用谷歌地图在测区范围内目测飞行场地，实地进行踏勘，确认测区地点、范围、起飞和降落条件。测区内无禁飞区、机场、军事管理区。飞机起飞地点地面平坦，空域视线良好，场地内无高压塔、成片树林、电杆、石块堆积、房屋等障碍物。

2.2.3飞行航线规划

在测区范围内选取，周围无遮挡物、信号干扰装置，地质松软适宜无人机的降落的区域，当天风向为南风，无人机逆风起飞、侧风飞行。

2.2.4基站点检查点布设及测量

（1）基站点选择比较平坦，面积较大的区域，视野较开阔，附近便于飞机的起飞和降落；点位附近无高大建筑物、树木、大面积水域、高压电线、微波通信塔等干扰源，信号接收无异常干扰。（2）观测使用中海达RTK，其标称精度为：平面±（5mm+1×10^-6D）,高程±（10mm+1×10^-6D）。（3）采用三角架严密对中，观测三次，成果取平均值作为基站坐标值，每次测量前都重新初始化，待信号稳定后再继续下一次数据采集。（4）检查点均匀分配于测区，分别位于测区的四周和中心，能够反映地形起伏条件，具有代表性。（5）为了内业判读点位更准确，在航飞前布设了检查点，采用白灰布设为矩形“十”字，长度为1m，宽度为0.1m，以“十”字交叉点为检查点位。

2.2.5影像后处理

通过MAVinci Desktop桌面软件，将拍摄的照片及Pos数据生成匹配文件，在相片匹配过程中，软件会将模糊照片、非固定解照片自动剔除，以获得最优的匹配文件。将匹配文件导入到Agisoft PhotoScan软件中，设置“对齐照片为高”，密集点云选择“中”（点云越密越真实，等同于三角网密度，根据测区地物复杂程度，房、树、坎较多的话选高）。设置完成后选择无地面控制点处理，之后无须人工干预即可生成DEM 、DOM、点云等成果数据。

2.2.6数据处理

检查像片和POS文件的完整性和一致性，检查基站点坐标和天线高。（2）在MAVinci软件中，把每个架次的基站点坐标和天线垂高对应输入，坐标系统设置正确，然后导入到AgisoftPhotoScan软件。（3）使用photoscan软件对航摄数据进行处理，数据质量选择高、中级别，GPS-RTK精度设置为2cm。再利用基站点进行绝对坐标转换，经对齐照片、自动像点匹配、不合格点剔除、照片深度匹配、建立密集点云、生成网格、生成纹理等程序，生成高密度点云、正射影像（DOM）、地形模型（DTM）和高程模型（DEM）。（4）利用高密度点云生成等高线和高程点，叠加正射影像、DEM采集地物，进行等高线编辑、地物绘制，地形图生产。

结语

天狼星无人机免像控技术及虚拟测量测图技术的应用使传统摄影测量技术面临着深度变革。免像控技术不仅减少了外业工作人员的工作时间，降低了劳动强度，使生产工期可控，而且可以减少对内业空三人员的依赖，大幅提高了生产效率，缩短了航测生产周期。由于天狼星无人机最大飞行时间只有50min，机载相机像素为1600万，使得单架次的航飞面积较小，增加了航飞起落架次，影响了免像控技术在实际生产过程中生产效率的进一步提高，希望以后能在飞行时间和单架次航飞面积上有所突破，进一步提高航测生产效率。

参考文献

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